Ingeniería básica de una planta de producción de butadieno...
66
Página 1 Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado de Ingeniería Química Ingeniería básica de una planta de producción de butadieno a partir de la deshidrogenación de n- butanos Autor: Manuel Izquierdo Herrera Tutor: Ángel L. Villanueva Perales Dep. de Ingeniería Química y Ambiental Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2016
-
Upload
vuongxuyen -
Category
Documents
-
view
220 -
download
0
Transcript of Ingeniería básica de una planta de producción de butadieno...
Paacutegina 1
Equation Chapter 1 Section 1
Trabajo Fin de Grado
Grado de Ingenieriacutea Quiacutemica
Ingenieriacutea baacutesica de una planta de produccioacuten de butadieno a partir de la deshidrogenacioacuten de n-butanos
Autor Manuel Izquierdo Herrera Tutor Aacutengel L Villanueva Perales
Dep de Ingenieriacutea Quiacutemica y Ambiental
Escuela Teacutecnica Superior de Ingenieriacutea
Universidad de Sevilla
Sevilla 2016
i
ii
Trabajo de Fin de Grado
Grado de Ingenieriacutea Quiacutemica
Ingenieriacutea baacutesica de una planta de produccioacuten de butadieno a
partir de deshidrogenacioacuten de n-butanos
Autor
Manuel Izquierdo Herrera
Tutor
Aacutengel L Villanueva Perales
Profesor Contratado Doctor
Dep de Ingenieriacutea Quiacutemica y Ambiental
Escuela Teacutecnica Superior de Ingenieriacutea
Universidad de Sevilla
Sevilla 2016
iii
iv
ldquoTodo de e ha erse tan simple como sea posible pero no maacutes simple
Albert Einstein (1879-1955)
v
vi
Agradecimientos
Despueacutes de cinco antildeos estudiando en esta facultad uno mira atraacutes y se sorprende de todo el
camino recorrido y a la misma vez te das cuenta de lo que cuesta conseguir las metas
personales Aunque haya sido duro tengo que decir que he aprendido tanto profesional como
personalmente gracias a todos los obstaacuteculos que esta carrera me ha puesto en el camino Hoy
puedo decir que me siento orgulloso y satisfecho de todo lo que he hecho porque este es mi
uacuteltimo trabajo que llevareacute a cabo en esta Escuela Teacutecnica y es un punto y final a tanto
esfuerzo
Aunque todo esto no hubiera sido posible sin las personas que siempre han estado ahiacute en las
buenas y en las malas como mis padres mi hermano mis abuelos mi pareja y todos esos
amigos que siempre tienen un momento que regalarte Y no me puedo olvidar de todas esas
personas que han compartido conocido y que me llevo de esta etapa que nunca se iraacuten y
siempre me gustaraacute tenerlos cercas
vii
viii
Resumen
El trabajo que se tiene lugar en este documento se basa en el estudio de viabilidad teacutecnica de
una planta de produccioacuten de butadieno a partir de la deshidrogenacioacuten de n-butanos Se
selecciona la produccioacuten anual de butadieno de una planta referente como criterio de disentildeo
Para llevar a cabo este estudio se emplea un programa de simulacioacuten que en este caso es
Aspen Plus 88
Las conclusiones relevantes de este trabajo es el empleo conjunto de dos rutas principales de
butadieno como es la deshidrogenacioacuten de n-butano y la oxideshidrogenacioacuten e n-butenos en
el proceso Ademaacutes se obtiene el disentildeo de los equipos maacutes representativos del proceso
estudiado asiacute como Columna de destilacioacuten bomba compresor reactor de
oxideshidrogenacioacuten e intercambiador de calor
ix
Abstract
The work takes place in this document is based on technical feasibility study of a production of
butadiene from the dehydrogenation of n-butane The annual production of butadiene is
selected as a reference plant design criteria To carry out this study it is realized with a
simulation program in this case Aspen Plus 88
The main conclusions of this work is the use of two main routes set butadiene as the
dehydrogenation of n-butane and oxidative dehydrogenation of n-butene in this process
Besides it is obtained the design of representative equipment Distillation column pump
compressor oxydehydrogenation reactor and heat exchanger
x
xi
Iacutendice
Agradecimientos ______________________________________________________ vi
Resumen ____________________________________________________________ viii
Abstract _____________________________________________________________ ix
Iacutendice _______________________________________________________________ xi
Iacutendice de Tablas ______________________________________________________ xiv
Iacutendice de Figuras _____________________________________________________ xvi
1 Alcance y objetivo __________________________________________________ 1
2 Introduccioacuten ______________________________________________________ 2
21 Caracteriacutesticas de butadieno ____________________________________________ 3
22 Aplicaciones _________________________________________________________ 4
23 Potencial de exposicioacuten ________________________________________________ 6
24 Procesos comerciales de butadieno ______________________________________ 7
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos _______________________________ 8
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry) _____________ 9
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno ____________________________________ 10
3 Descripcioacuten del proceso ____________________________________________ 12
31 Etapas de produccioacuten ________________________________________________ 15
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano _____________________________________ 15
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos _________________________ 15
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos ___________________________ 17
314 Separacioacuten de butadieno _________________________________________________ 18
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus ________________________________ 20
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten ______________________________ 20
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten _____________________________ 21
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano _________________________________________ 23
421 Modelo de simulacioacuten de reactores _________________________________________ 23
43 Integracioacuten energeacutetica _______________________________________________ 24
44 Equipos reguladores de presioacuten ________________________________________ 25
45 Destino final del isobutano separado ____________________________________ 26
xii
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos _______________________________ 28
51 Fase de tratamiento _________________________________________________ 31
511 Compresor (C-1) ________________________________________________________ 31
512 Columna de destilacioacuten (D-1) ______________________________________________ 36
513 Bomba (B-1)____________________________________________________________ 37
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3) _______________________________________ 39
52 Reactores de deshidrogenacioacuten ________________________________________ 42
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa ___________________________________ 42
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo ____________________________________ 43
53 Intercambiadores de calor ____________________________________________ 44
5 Bibliografiacutea ______________________________________________________ 47
xiii
xiv
Iacutendice de Tablas
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de tiempo de residencia normal de trabajo en reactores de
deshidrogenacioacuten no oxidativa 17
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos 18
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten 18
Tabla 4 Disolventes usaos industrialmente 19
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso 30
Tabla 6 Especificaciones de C-1 31
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1) 36
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1 37
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1 37
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2) 39
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2 40
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3) 40
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3 40
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten 41
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados 42
Tabla 16 Temperaturas de las corrientes en INT-1 44
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1 44
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2 45
Tabla 19 Temperaturas de las corrientes en INT-3 45
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4 45
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4 46
xv
xvi
Iacutendice de Figuras
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno 2
Figura 2 Propiedades de butadieno 3
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 4
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU
2000 (a la derecha) 5
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno 6
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas 8
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking 9
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno 10
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos 11
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno 12
Figura 11 Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten 15
Figura 12 Diagrama de proceso de la planta de butadieno 28
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados 34
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores 35
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso 36
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba 38
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH 39
xvii
1
1 Alcance y objetivo
En este proyecto se desarrolla la ingenieriacutea baacutesica de una planta de produccioacuten de butadieno a
partir de la deshidrogenacioacuten de n-butanos
El trabajo se centra en el estudio en profundidad del proceso de obtencioacuten de butadieno a
traveacutes de una de las rutas de proceso maacutes empleados en la actualidad deshidrogenacioacuten y
oxideshidrogenacioacuten Se marca como objetivo conocer primeramente las caracteriacutesticas del
butadieno y todas sus formas de produccioacuten para mostrar la utilidad que tiene esta ruta
actualmente A la misma vez se justifica la eleccioacuten del proceso elegido comparando las
distintas caracteriacutesticas de cada uno
En esta descripcioacuten del proceso se incluye un anaacutelisis global de cada una de las etapas para a
continuacioacuten especificar cada una de ellas Esta informacioacuten se utiliza para poder completar el
diagrama de proceso y constituir la simulacioacuten de una planta de butadieno Este trabajo
permite estudiar e investigar un proceso poco convencional y poner en praacutectica los
conocimientos estudiados Se lleva a cabo con el programa Aspen Plus donde se intenta
representar el diagrama tendiendo a todas las especificaciones impuestas y conseguir una
visioacuten real numeacuterica del proceso estudiado En este programa se pondraacute en praacutectica el uso de
balances de materia y energiacutea necesarios para comprender los resultados obtenidos Por
uacuteltimo se aprovechan los caacutelculos realizados en el simulador para disentildear los equipos maacutes
representativos en el sistema Para ello antes hay que disentildear un diagrama de proceso con las
directrices estudiadas tanto en la informacioacuten buscada como los conceptos adquiridos
Como criterio de disentildeo se fija una capacidad de produccioacuten acorde con una planta de
butadieno que utiliza como materia prima el n-butano ademaacutes de un disentildeo que represente
los equipos industriales necesarios comuacutenmente en este tipo de proceso Aunque se trata de
una ingenieriacutea baacutesica se decide durante la realizacioacuten del mismo no llevar a cabo el balance
econoacutemico de todo el proyecto ya que se considera prescindible debido a sus numerosas
praacutecticas durante la carrera
2
2 Introduccioacuten
El butadieno (se habla de 13 butadieno ya que conforma el hidrocarburo C4 insaturado maacutes
importante econoacutemicamente) es un producto importante de la industria petroquiacutemica Su
sencilla estructura quiacutemica (figura 1) combinada con su bajo peso molecular y alta reactividad
quiacutemica hace que sea un elemento muy uacutetil en la siacutentesis de otros materiales [1]
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno
Antes del desarrollo de la industria de butadieno el butadieno aparece en 1863 cuando el
quiacutemico franceacutes E Caventou aisloacute un hidrocarburo hasta ahora desconocido con la piroacutelisis de
alcohol amiacutelico Este hidrocarburo se identificoacute como butadieno en 1886 despueacutes de que
Henry Edward Amstronglo lo aislara de unos de los productos de la piroacutelisis de petroacuteleo En
1910 el quiacutemico ruso Sergei Lebedev polimerizoacute el butadieno obteniendo un material con
propiedades similares al caucho Este poliacutemero no fue lo suficiente adecuado para reemplazar
el caucho natural en muchas aplicaciones sobre todo en los neumaacuteticos del automoacutevil A partir
de ahiacute la industria de butadieno se centroacute en las necesidades de la Segunda Guerra Mundial
ya que las naciones combatientes como Alemania y Estados Unidos apostaron por disminuir la
dependencia de las industrias del caucho controladas por el Gobierno Britaacutenico [1]
Hasta la actualidad la produccioacuten mundial de butadieno ha estado ligada a la demanda de
manufacturacioacuten de neumaacuteticos Como estudios de 2015 reflejan por primera vez desde 2000
la produccioacuten europea de caucho sinteacutetico a partir de butadieno superoacute la demanda como
resultado de la contraccioacuten de la industria automoviliacutestica Este mismo estudio cifra que la
demanda europea fue de 2459778 toneladas mientras que la produccioacuten se situoacute en
2246137 toneladas Sin embargo observando el futuro de este producto se espera invertir la
situacioacuten superando la produccioacuten a la demanda por 162953 toneladas Ante esta situacioacuten las
3
empresas se mueven hacia un mercado de exportacioacuten con el objetivo de conseguir la
produccioacuten deseada Alguacuten ejemplo apreciable es la expansioacuten de la empresa alemana
LyondellBsell con su unidad de extraccioacuten en Wesseling Alemania y los planes de Versalis para
construir una nueva unidad de 70000 toneladasantildeo en su planta de Dunkerque Francia [2]
21 Caracteriacutesticas de butadieno
Este compuesto presenta propiedades quiacutemicas y fiacutesicas como gas inflamable incoloro con un
olor suave y aromaacutetico ademaacutes de ser altamente reactivo Es soluble en alcohol y eacuteter
insoluble en agua y se polimeriza faacutecilmente (en particular si el oxiacutegeno estaacute presente) Debido
a sus dobles enlaces conjugados pueden tomar parte en numerosas reacciones que incluyen
12- y 14- adicionales con siacute mismo (polimerizacioacuten) y de otros reactivos la dimerizacioacuten lineal
y de trimerizacioacuten y formacioacuten de anillo En la figura 2 siguiente muestra una tabla con las
propiedades principales de este compuesto
Figura 2 Propiedades de butadieno [3]
El 13-butadieno el dieno conjugado maacutes simple ha sido sometido a numerosos estudios para
comprender todas sus propiedades fiacutesicas y quiacutemicas La unioacuten de los dobles enlaces hace que
sea 15kJmol maacutes estable termodinaacutemicamente que una moleacutecula con dos enlaces simples La
4
longitud del doble enlace en 13-butadieno es 0134 nm y los enlaces simples 0148 Ya que los
enlaces simples de carbono-carbono son normalmente de 0154 nm esto indica el grado de
doble enlace en la mitad de enlace simple [4]
22 Aplicaciones
La produccioacuten de butadieno mundial estaacute dominada por las fracciones de craqueo por vapor
de C4 convirtieacutendose en la ruta ideal para maacutes del 95 de la produccioacuten de butadieno En la
Figura 3 se puede distinguir la situacioacuten mundial de butadieno en 1998 y destacar por
ejemplo que en el caso de Europa Occidental la materia especiacutefica de craqueo se centra en la
nafta El motivo de este dominio son los altos rendimientos conseguidos a traveacutes de este
medio sin embargo en la actualidad su aplicacioacuten ha disminuido ligeramente debido al
desarrollo de nuevas teacutecnicas de deshidrogenacioacuten oxidativa como se veraacute en los apartados
siguientes
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 [1]
El butadieno se usa principalmente como monoacutemero en la fabricacioacuten de cauchos o
elastoacutemeros sinteacuteticos como se aprecia en la Figura 4 suponiendo aproximadamente el 70
del uso de butadieno Entre los poliacutemeros destacados de esta aplicacioacuten son Estireno-
butadieno (SBR) caucho de polibutadieno (PBR) policloropreno (Neopreno) y caucho de
nitrilo (NBR) Ademaacutes como monoacutemero es importante como intermediario en la produccioacuten de
algunos productos quiacutemicos (gracias a su alta reactividad quiacutemica) Los cauchos anteriormente
mencionados se distinguiriacutean de la siguiente forma [4]
Caucho estireno-butadieno (SBR) se obtiene por la polimerizacioacuten de estireno y
butadieno constituyendo la mayor aplicacioacuten de butadieno El uso principal de SBR
5
estaacute en neumaacuteticos y en menor cantidad en adhesivos y selladores suelas de zapatos
revestimientos de alambre y cable
Polibutadieno (PB) producido por la polimerizacioacuten de butadieno es el segundo
monoacutemero maacutes usado Ademaacutes de coacutemo materia prima para neumaacuteticos el PB se
utiliza como producto intermedio en la produccioacuten de acrilonitrilo-butadieno-estireno
(ABS) y modificadores de impacto
Laacutetex Estireno-butadieno (SBL) se trata de una dispersioacuten acuosa estable que contiene
discretas partiacuteculas de poliacutemero de aproximadamente 005 a 5 microacutemetros de
diaacutemetro Entre sus aplicaciones consta la goma espuma (cojines esponjas) adhesivos
(pavimentos azulejos) selladores y revestimientos de papel
Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno (ABS) resinas ABS son mezclas de dos fases Se pueden
producir por polimerizacioacuten donde los homopoliacutemeros de polibutadieno se injertan en
un copoliacutemero de estierno-acronitrilo Estas resinas posee una amplia gama de
aplicaciones que incluyen de piezas de automoacuteviles teleacutefonos maacutequinas de oficina tales
como ordenadores y electrodomeacutesticos
Caucho de nitrilo (NBR) este caucho es producido en menor cantidad que los anteriores
y se obtiene a partir de la copolimerizacioacuten de acrilonitrilo y butadieno Este material se
utiliza en productos como mangueras tuberiacuteas de combustible adhesivos guantes y
calzado
Copoliacutemero de bloques de Estireno-butadieno (SBS Y SEBS) sus aplicaciones son incluidas
en aditivos para aceites lubricantes adhesivos aplicaciones de automocioacuten alimentos y
otro tipo de envases dispositivos meacutedicos
Metacrilato de metilo-butadieno-estireno (MMBS) su produccioacuten es maacutes escasa ya que
se dedica como modificador de impacto en piezas de automoacuteviles botellas y envases de
alimentos
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU 2000 (a la derecha) [45]
6
Ademaacutes de los poliacutemeros como se mencionoacute anteriormente el butadieno constituye distintos
intermediarios quiacutemicos En la figura 5 puede apreciarse los tipos de poliacutemeros enumerados y
los compuestos quiacutemicos principales como adiponitrilo cloropropano y sus posteriores
aplicaciones
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno [4]
23 Potencial de exposicioacuten
El butadieno forma parte en la produccioacuten de productos industriales y de consumo sin
embargo sobre la base de estos usos los individuos pueden estar expuestos de diferentes
formas [5]
Exposicioacuten Diaria es la exposicioacuten que afecta a los individuos que trabajan en
instalaciones de butadieno y plantas de productos que emplean este compuesto En
estas instalaciones se pueden enfrentar a las exposiciones maacutes comunes de butadieno
por fallo mecaacutenico de un sello de la bomba el paquete de la vaacutelvula conexioacuten de la
tuberiacutea o junta Sin embargo los responsables emplean sistemas de seguridad
restrictivos regulados y controlados por permisos y normas
7
Exposicioacuten del consumidor de producto conteniente en butadieno los consumidores
estaacuten expuestos a niveles bajos o no detectables de butadieno (butadieno no se vende
para uso de consumidores) a traveacutes de la ingesta de alimentos que estaban
almacenados en envases contenedores de butadieno
Emisiones al medio ambiente butadieno se libera en el medio ambiente tanto de
fuentes industriales y no industriales Ante cualquier emisioacuten el sistema de control se
centra en evitar cualquier probabilidad de incendio y controlar los derrames
reduciendo la contaminacioacuten de aire suelo y aguas superficiales o subterraacuteneas Su
alta presioacuten de vapor y la insolubilidad de agua hace que se acumule en el aire creando
un riesgo en la inhalacioacuten (de ahiacute es necesario proteccioacuten de las viacuteas respiratoria ante
cualquier derrame o fuga)
Riesgo para la salud
Contacto con los ojos butadieno liacutequido puede causar la congelacioacuten si entra en
contacto con los ojos y se evapora raacutepidamente Los vapores de butadieno pueden
causar irritacioacuten en los ojos causando incomodidad y enrojecimiento
Contacto con la piel butadieno no es irritante para la piel aunque el butadieno liacutequido
puede causar congelacioacuten si entra en contacto con la piel
Ingestioacuten es poco probable ya que el material es un gas a temperatura y presioacuten
ambiente Aunque el contacto con butadieno liacutequido podriacutea dar lugar a la congelacioacuten
de los labios
Inhalacioacuten zonas cerradas o poco ventilados los vapores de butadieno se pueden
acumular y causar inconsciencia y la muerte Las exposiciones excesivas pueden causar
irritacioacuten en el sistema respiratorio superior (nariz y garganta) o efectos en el sistema
nervioso central Los siacutentomas pueden incluir efectos anesteacutesicos o narcoacuteticos como
mareo o somnolencia
Exposicioacuten repetida exposiciones excesivas repetidas se han reportado efectos en los
rintildeones el hiacutegado los ovarios las viacuteas respiratorias y los testiacuteculos La exposicioacuten
excesiva puede causar dantildeo a los oacuterganos hematopoyeacuteticos (medula oacutesea y bazo)
Carcinogenecidad el butadieno aparece como un carcinoacutegeno humano por la Agencia
Internacional para la Investigacioacuten sobre el Caacutencer
24 Procesos comerciales de butadieno
La produccioacuten de butadieno desde su descubrimiento a traveacutes de la piroacutelisis de materiales
orgaacutenicos ha sido desarrollada a la misma vez que la industria petroquiacutemica En primer lugar
8
el butadieno era generado a partir del acetileno asiacute como del etanol No obstante la
importancia de estos procesos ha disminuido debido a la creciente produccioacuten de butadieno a
partir del petroacuteleo Se han desarrollado tres sistemas de produccioacuten a traveacutes de esta fuente
[1 24]
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
Es el camino maacutes utilizado para la produccioacuten de butadieno en paiacuteses como Estados Unidos
Oeste de Europa y Japoacuten representando aproximadamente el 91 del suministro mundial de
butadieno En este caso no existe una materia prima principal sino que tanto etano propano
butano nafta y gasoacuteleo se alimentan a una pirolisis (craqueo al vapor) de horno donde
combinado con vapor de agua alcanza temperaturas de entre aproximadamente 790-830ordmC
En este rango de temperatura los enlaces C-C y C-H se rompen produciendo hidrogeno
etileno propileno butadieno benceno tolueno y otros co-productos olefiacutenicos importantes
Despueacutes de la pirolisis se enfriacutea el resto de la planta separa los productos deseados en
distintos cortes de acuerdo a las especificaciones impuestas a cada uno de ellos A
continuacioacuten se aprecia en la Figura 6 un ejemplo de los distintos rendimientos de butadieno
respecto a distintas materias primas
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas [3]
La corriente de producto de butadieno crudo final alcanza concentraciones de hasta
aproximadamente un 75 en peso (esta concentracioacuten puede variar en funcioacuten de reciclo en el
sistema)
Como se puede distinguir en la liacutenea roja de la Figura 7 el butadieno experimenta una serie de
tratamientos posterior a su piroacutelisis como enfriamiento compresioacuten lavado secado y
finalmente un proceso de extraccioacuten para obtener la corriente final de butadieno
9
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking [3]
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
Esta deshidrogenacioacuten constituye parte principal del proceso y se constituye en dos etapas de
trabajo primero convirtiendo n-butano a n-butenos y luego a butadieno (etapas
endoteacutermicas) Estas zonas presentan ademaacutes de los reactores principales (trabajando
aproximadamente en rangos de P absoluta de 12-15 cmHg y T de 600-680ordmC) dos reactores
instalados de forma continua Se pueden apreciar en la Figura 8 el segundo reactor se
utilizariacutea para la regeneracioacuten de catalizador mientras que el tercer reactor es el encargado de
purgar antes de que empiece la regeneracioacuten (de esta manera se comporta como un sistema
continua de produccioacuten)
10
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno [3]
El tiempo de residencia de la alimentacioacuten en el reactor es de aproximadamente de 5 a 15
minutos Ademaacutes a la misma vez que va disminuyendo la temperatura en el lecho de
catalizador se va formando una capa de coque en el lecho Para hacer frente al problema del
coque este proceso posee un sistema de regeneracioacuten que emplea aire precalentado para
quemar esta deposicioacuten (a la misma vez aporta el calor necesario para alcanzar la temperatura
deseada) El efluente del reactor se somete a una serie de tratamientos primer lugar la
corriente se enfriacutea en una torre de enfriamiento posteriormente se comprime antes de la
alimentacioacuten al sistema de absorcioacutenstripper En este complejo de absorcioacuten se consigue un
concentrado de C4 para el sistema final de extraccioacuten de butadieno obteniendo una corriente
de producto de butadieno de gran pureza Esta ruta de proceso se trabaja a un rango de
conversioacuten de aproximadamente un 30-40 y un rendimiento total de 60-65
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
Es un sistema que ha reemplazado a muchos procesos antiguos de produccioacuten de butadieno
debido al desarrollo de varios procesos y sistemas de catalizadores de oxideshidrogenacioacuten de
cualquier n-butano o de n-buteno El 1-buteno es mucho maacutes reactivo y requiere condiciones
de operacioacuten menos severas que la de n-butano siendo el empleo de n-butano menos
eficiente Como recomendaciones en la oxideshidrogenacioacuten una mezcla de n-butenos aire y
vapor se hace pasar sobre un lecho de catalizador a baja presioacuten y aproximadamente de 500-
600ordmC El calor de la reaccioacuten exoteacutermica puede ser eliminado indirectamente mediante la
circulacioacuten de sal fundida o por un meacutetodo alternativo que consiste en antildeadir vapor de agua a
la alimentacioacuten (actuando como disipador de calor) En el proceso Oxo-D como se observa en
11
la Figura 9 una mezcla de aire vapor y 1-buteno se hace pasar sobre el catalizador de
deshidrogenacioacuten en un proceso continuo
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos [3]
Como parte final del proceso el efluente del reactor se enfriacutea y como en el sistema anterior
los componentes C4 se recuperan en un absorbedordesgasificadorstripper El aceite como
disolvente fluye desde los fondos del stripper y regresa al absorbedor aunque antes pasa
traveacutes de una zona de purificacioacuten de disolvente Para obtener la corriente de butadieno final
es necesario eliminar la cantidad de disolvente (aceite) por medio de un stripper y un sistema
de purificacioacuten para obtener la corriente final El rango de rendimiento y selectividad puede
variar entre 70-90 lo que hace innecesario recuperar o reciclar material de alimentacioacuten (la
formacioacuten de C02 como reaccioacuten secundaria puede producir la peacuterdida de rendimiento del
proceso)
12
3 Descripcioacuten del proceso
En el estudio de este proyecto y tras analizar cada una de las opciones de trabajo para la
deshidrogenacioacuten de n-butanos se ha decidido seguir un sistema de deshidrogenacioacuten en dos
etapas [13 67]
1) Deshidrogenacioacuten no oxidativa de los n-butanos para obtener n-butenos
2) Deshidrogenacioacuten oxidativa (oxideshidrogenacioacuten) de los n-butenos para producir
butadieno
Como ya se ha dicho con anterioridad existen tres caminos de produccioacuten de butadieno sin
embargo se considera principalmente debido a la necesidad de eficiencia implantar dos fases
distintas de deshidrogenacioacuten La primera fase que corresponde al proceso Catadiene que
consiste en una deshidrogenacioacuten no oxidativa del n-butano mientras que se complementa
con una zona de oxideshidrogenacioacuten de los n-butenos Se ha decidido tomar este sistema
debido a las siguientes razones
o Mayor conversioacuten y selectividad global gracias a la oxideshidrogenacioacuten el aporte de
oxiacutegeno permite eliminar parte de hidrogeno en forma de agua (rendimiento aprox de
65 y una selectividad de 93)
o Oxiacutegeno junto al vapor alimentado disminuye la coquizacioacuten del catalizador
o Bajo consumo de vapor respecto a la deshidrogenacioacuten no oxidativa
o Adicioacuten de oxiacutegeno en la deshidrogenacioacuten de n-butanos genera una gran cantidad de
productos indeseados debido a que a las altas temperaturas requeridas favorece la
reaccioacuten del oxiacutegeno
o Butenos son muchos maacutes reactivos de ahiacute que necesiten condiciones de operacioacuten
menos severas por lo que no es praacutectico la oxideshidrogenacioacuten del n-butano
Este sistema de deshidrogenacioacuten se dividiraacute en tres fases de procesamiento como se observa
en el diagrama de bloques de la Figura 10
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno (6)
13
En primer lugar este medio de produccioacuten parte de una corriente de n-butanos isobutano
propano y un porcentaje de hidrocarburos (C5) la cual necesita ser tratada para obtener una
corriente pura de n-butanos Este sistema presenta un tren de separacioacuten en primer lugar una
columna de destilacioacuten que lo separe en una corriente de n-butano y posteriormente
aprovechar la corriente de isobutanos con un reactor de isomerizacioacuten para generar maacutes n-
butano o como producto final para otros procesos Maacutes adelante en el proyecto se decidiraacute
que se haraacute con el isobutano
Una vez obtenida la corriente de n-butano se alimenta a la zona de deshidrogenacioacuten
encargada de deshidrogenizar para conseguir el butadieno Como ya se ha enunciado se
instalaraacuten dos zonas de deshidrogenacioacuten con condiciones de operacioacuten diferentes La
deshidrogenacioacuten no oxidativa de n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica trabajando
a un rango de temperatura de 600-700ordmC y una presioacuten de 05-8 bar (3) La reaccioacuten principal
en el primer reactor seriacutea la formacioacuten de buteno a traveacutes de la peacuterdida de hidroacutegeno de n-
butano para dar 1-buteno
C4H10 C4H8 (1-buteno) + H2
Para aportar el calor necesario de reaccioacuten se puede quemar in-situ el hidroacutegeno liberado
antildeadiendo una corriente de oxiacutegeno (aire) Suele ser necesario antildeadir hidroacutegeno adicional
externamente para satisfacer totalmente el calor de reaccioacuten
H2 + O2 H2O
Estas reacciones se catalizan selectivamente por catalizadores especializados a este sistema
Los catalizadores se pueden separar en dos partes fundamentales como soporte y composicioacuten
activa En primer lugar el soporte consiste generalmente en un oacutexido resistente al calor u
oacutexido mixto Los oacutexidos empleados preferentemente son los oacutexidos de aluminio oacutexido de
cromo o dioacutexido de silicio La composicioacuten activa de los catalizadores de deshidrogenacioacuten se
comprende generalmente en uno o maacutes metales del grupo de transicioacuten VII de la tabla
perioacutedica preferentemente platino yo paladio En este caso para este reactor se utiliza el
catalizador maacutes comuacuten que es una mezcla de oacutexido de aluminio y oacutexido de cromo Los
catalizadores de deshidrogenacioacuten en su funcioacuten se degeneran con la necesidad de montar un
reactor en paralelo que permita su regeneracioacuten de forma continua Ademaacutes como se observa
14
en el diagrama de bloques de la figura 10 es necesario la aplicacioacuten a estas zonas de
deshidrogenacioacuten de aire a traveacutes del lecho catalizador
Una vez obtenida la corriente de n-butenos se alimenta al segundo reactor con la diferencia
que necesita la alimentacioacuten de oxiacutegeno para la deshidrogenacioacuten oxidativa del 1-buteno La
adiccioacuten de oxigeno permite mejorar la conversioacuten y la selectividad de la deshidrogenacioacuten de
n-buteno eliminando el hidrogeno (7)
2 C4H8 + O2 2 C4H6 + 2 H2O (Reaccioacuten principal)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O (Reaccioacuten secundaria)
Como al igual que la deshidrogenacioacuten no oxidativa para la deshidrogenacioacuten del 1-buteno se
necesita un catalizador preferentemente un sistema de oacutexido multimetaacutelico Mo-Bi-Fe-O En
esta reaccioacuten aparece la formacioacuten de CO2 como reaccioacuten secundaria indeseada a partir del 1-
buteno Una vez obtenida la corriente final de butadieno n-butano no convertido y los demaacutes
co-productos se llevan a un tren de separacioacuten que consta de una columna de destilacioacuten
extractiva con un solvente En primer lugar la columna de destilacioacuten se separa el resto de
hidrocarburos (n-butanos sin reaccionar) por cabeza mientras que el 13-butadieno sale por
fondos Los fondos presentan gran cantidad de disolvente de ahiacute que utilicen una columna de
recuperacioacuten de disolvente para obtener el butadieno final
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
i
ii
Trabajo de Fin de Grado
Grado de Ingenieriacutea Quiacutemica
Ingenieriacutea baacutesica de una planta de produccioacuten de butadieno a
partir de deshidrogenacioacuten de n-butanos
Autor
Manuel Izquierdo Herrera
Tutor
Aacutengel L Villanueva Perales
Profesor Contratado Doctor
Dep de Ingenieriacutea Quiacutemica y Ambiental
Escuela Teacutecnica Superior de Ingenieriacutea
Universidad de Sevilla
Sevilla 2016
iii
iv
ldquoTodo de e ha erse tan simple como sea posible pero no maacutes simple
Albert Einstein (1879-1955)
v
vi
Agradecimientos
Despueacutes de cinco antildeos estudiando en esta facultad uno mira atraacutes y se sorprende de todo el
camino recorrido y a la misma vez te das cuenta de lo que cuesta conseguir las metas
personales Aunque haya sido duro tengo que decir que he aprendido tanto profesional como
personalmente gracias a todos los obstaacuteculos que esta carrera me ha puesto en el camino Hoy
puedo decir que me siento orgulloso y satisfecho de todo lo que he hecho porque este es mi
uacuteltimo trabajo que llevareacute a cabo en esta Escuela Teacutecnica y es un punto y final a tanto
esfuerzo
Aunque todo esto no hubiera sido posible sin las personas que siempre han estado ahiacute en las
buenas y en las malas como mis padres mi hermano mis abuelos mi pareja y todos esos
amigos que siempre tienen un momento que regalarte Y no me puedo olvidar de todas esas
personas que han compartido conocido y que me llevo de esta etapa que nunca se iraacuten y
siempre me gustaraacute tenerlos cercas
vii
viii
Resumen
El trabajo que se tiene lugar en este documento se basa en el estudio de viabilidad teacutecnica de
una planta de produccioacuten de butadieno a partir de la deshidrogenacioacuten de n-butanos Se
selecciona la produccioacuten anual de butadieno de una planta referente como criterio de disentildeo
Para llevar a cabo este estudio se emplea un programa de simulacioacuten que en este caso es
Aspen Plus 88
Las conclusiones relevantes de este trabajo es el empleo conjunto de dos rutas principales de
butadieno como es la deshidrogenacioacuten de n-butano y la oxideshidrogenacioacuten e n-butenos en
el proceso Ademaacutes se obtiene el disentildeo de los equipos maacutes representativos del proceso
estudiado asiacute como Columna de destilacioacuten bomba compresor reactor de
oxideshidrogenacioacuten e intercambiador de calor
ix
Abstract
The work takes place in this document is based on technical feasibility study of a production of
butadiene from the dehydrogenation of n-butane The annual production of butadiene is
selected as a reference plant design criteria To carry out this study it is realized with a
simulation program in this case Aspen Plus 88
The main conclusions of this work is the use of two main routes set butadiene as the
dehydrogenation of n-butane and oxidative dehydrogenation of n-butene in this process
Besides it is obtained the design of representative equipment Distillation column pump
compressor oxydehydrogenation reactor and heat exchanger
x
xi
Iacutendice
Agradecimientos ______________________________________________________ vi
Resumen ____________________________________________________________ viii
Abstract _____________________________________________________________ ix
Iacutendice _______________________________________________________________ xi
Iacutendice de Tablas ______________________________________________________ xiv
Iacutendice de Figuras _____________________________________________________ xvi
1 Alcance y objetivo __________________________________________________ 1
2 Introduccioacuten ______________________________________________________ 2
21 Caracteriacutesticas de butadieno ____________________________________________ 3
22 Aplicaciones _________________________________________________________ 4
23 Potencial de exposicioacuten ________________________________________________ 6
24 Procesos comerciales de butadieno ______________________________________ 7
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos _______________________________ 8
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry) _____________ 9
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno ____________________________________ 10
3 Descripcioacuten del proceso ____________________________________________ 12
31 Etapas de produccioacuten ________________________________________________ 15
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano _____________________________________ 15
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos _________________________ 15
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos ___________________________ 17
314 Separacioacuten de butadieno _________________________________________________ 18
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus ________________________________ 20
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten ______________________________ 20
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten _____________________________ 21
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano _________________________________________ 23
421 Modelo de simulacioacuten de reactores _________________________________________ 23
43 Integracioacuten energeacutetica _______________________________________________ 24
44 Equipos reguladores de presioacuten ________________________________________ 25
45 Destino final del isobutano separado ____________________________________ 26
xii
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos _______________________________ 28
51 Fase de tratamiento _________________________________________________ 31
511 Compresor (C-1) ________________________________________________________ 31
512 Columna de destilacioacuten (D-1) ______________________________________________ 36
513 Bomba (B-1)____________________________________________________________ 37
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3) _______________________________________ 39
52 Reactores de deshidrogenacioacuten ________________________________________ 42
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa ___________________________________ 42
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo ____________________________________ 43
53 Intercambiadores de calor ____________________________________________ 44
5 Bibliografiacutea ______________________________________________________ 47
xiii
xiv
Iacutendice de Tablas
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de tiempo de residencia normal de trabajo en reactores de
deshidrogenacioacuten no oxidativa 17
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos 18
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten 18
Tabla 4 Disolventes usaos industrialmente 19
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso 30
Tabla 6 Especificaciones de C-1 31
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1) 36
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1 37
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1 37
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2) 39
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2 40
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3) 40
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3 40
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten 41
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados 42
Tabla 16 Temperaturas de las corrientes en INT-1 44
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1 44
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2 45
Tabla 19 Temperaturas de las corrientes en INT-3 45
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4 45
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4 46
xv
xvi
Iacutendice de Figuras
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno 2
Figura 2 Propiedades de butadieno 3
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 4
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU
2000 (a la derecha) 5
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno 6
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas 8
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking 9
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno 10
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos 11
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno 12
Figura 11 Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten 15
Figura 12 Diagrama de proceso de la planta de butadieno 28
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados 34
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores 35
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso 36
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba 38
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH 39
xvii
1
1 Alcance y objetivo
En este proyecto se desarrolla la ingenieriacutea baacutesica de una planta de produccioacuten de butadieno a
partir de la deshidrogenacioacuten de n-butanos
El trabajo se centra en el estudio en profundidad del proceso de obtencioacuten de butadieno a
traveacutes de una de las rutas de proceso maacutes empleados en la actualidad deshidrogenacioacuten y
oxideshidrogenacioacuten Se marca como objetivo conocer primeramente las caracteriacutesticas del
butadieno y todas sus formas de produccioacuten para mostrar la utilidad que tiene esta ruta
actualmente A la misma vez se justifica la eleccioacuten del proceso elegido comparando las
distintas caracteriacutesticas de cada uno
En esta descripcioacuten del proceso se incluye un anaacutelisis global de cada una de las etapas para a
continuacioacuten especificar cada una de ellas Esta informacioacuten se utiliza para poder completar el
diagrama de proceso y constituir la simulacioacuten de una planta de butadieno Este trabajo
permite estudiar e investigar un proceso poco convencional y poner en praacutectica los
conocimientos estudiados Se lleva a cabo con el programa Aspen Plus donde se intenta
representar el diagrama tendiendo a todas las especificaciones impuestas y conseguir una
visioacuten real numeacuterica del proceso estudiado En este programa se pondraacute en praacutectica el uso de
balances de materia y energiacutea necesarios para comprender los resultados obtenidos Por
uacuteltimo se aprovechan los caacutelculos realizados en el simulador para disentildear los equipos maacutes
representativos en el sistema Para ello antes hay que disentildear un diagrama de proceso con las
directrices estudiadas tanto en la informacioacuten buscada como los conceptos adquiridos
Como criterio de disentildeo se fija una capacidad de produccioacuten acorde con una planta de
butadieno que utiliza como materia prima el n-butano ademaacutes de un disentildeo que represente
los equipos industriales necesarios comuacutenmente en este tipo de proceso Aunque se trata de
una ingenieriacutea baacutesica se decide durante la realizacioacuten del mismo no llevar a cabo el balance
econoacutemico de todo el proyecto ya que se considera prescindible debido a sus numerosas
praacutecticas durante la carrera
2
2 Introduccioacuten
El butadieno (se habla de 13 butadieno ya que conforma el hidrocarburo C4 insaturado maacutes
importante econoacutemicamente) es un producto importante de la industria petroquiacutemica Su
sencilla estructura quiacutemica (figura 1) combinada con su bajo peso molecular y alta reactividad
quiacutemica hace que sea un elemento muy uacutetil en la siacutentesis de otros materiales [1]
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno
Antes del desarrollo de la industria de butadieno el butadieno aparece en 1863 cuando el
quiacutemico franceacutes E Caventou aisloacute un hidrocarburo hasta ahora desconocido con la piroacutelisis de
alcohol amiacutelico Este hidrocarburo se identificoacute como butadieno en 1886 despueacutes de que
Henry Edward Amstronglo lo aislara de unos de los productos de la piroacutelisis de petroacuteleo En
1910 el quiacutemico ruso Sergei Lebedev polimerizoacute el butadieno obteniendo un material con
propiedades similares al caucho Este poliacutemero no fue lo suficiente adecuado para reemplazar
el caucho natural en muchas aplicaciones sobre todo en los neumaacuteticos del automoacutevil A partir
de ahiacute la industria de butadieno se centroacute en las necesidades de la Segunda Guerra Mundial
ya que las naciones combatientes como Alemania y Estados Unidos apostaron por disminuir la
dependencia de las industrias del caucho controladas por el Gobierno Britaacutenico [1]
Hasta la actualidad la produccioacuten mundial de butadieno ha estado ligada a la demanda de
manufacturacioacuten de neumaacuteticos Como estudios de 2015 reflejan por primera vez desde 2000
la produccioacuten europea de caucho sinteacutetico a partir de butadieno superoacute la demanda como
resultado de la contraccioacuten de la industria automoviliacutestica Este mismo estudio cifra que la
demanda europea fue de 2459778 toneladas mientras que la produccioacuten se situoacute en
2246137 toneladas Sin embargo observando el futuro de este producto se espera invertir la
situacioacuten superando la produccioacuten a la demanda por 162953 toneladas Ante esta situacioacuten las
3
empresas se mueven hacia un mercado de exportacioacuten con el objetivo de conseguir la
produccioacuten deseada Alguacuten ejemplo apreciable es la expansioacuten de la empresa alemana
LyondellBsell con su unidad de extraccioacuten en Wesseling Alemania y los planes de Versalis para
construir una nueva unidad de 70000 toneladasantildeo en su planta de Dunkerque Francia [2]
21 Caracteriacutesticas de butadieno
Este compuesto presenta propiedades quiacutemicas y fiacutesicas como gas inflamable incoloro con un
olor suave y aromaacutetico ademaacutes de ser altamente reactivo Es soluble en alcohol y eacuteter
insoluble en agua y se polimeriza faacutecilmente (en particular si el oxiacutegeno estaacute presente) Debido
a sus dobles enlaces conjugados pueden tomar parte en numerosas reacciones que incluyen
12- y 14- adicionales con siacute mismo (polimerizacioacuten) y de otros reactivos la dimerizacioacuten lineal
y de trimerizacioacuten y formacioacuten de anillo En la figura 2 siguiente muestra una tabla con las
propiedades principales de este compuesto
Figura 2 Propiedades de butadieno [3]
El 13-butadieno el dieno conjugado maacutes simple ha sido sometido a numerosos estudios para
comprender todas sus propiedades fiacutesicas y quiacutemicas La unioacuten de los dobles enlaces hace que
sea 15kJmol maacutes estable termodinaacutemicamente que una moleacutecula con dos enlaces simples La
4
longitud del doble enlace en 13-butadieno es 0134 nm y los enlaces simples 0148 Ya que los
enlaces simples de carbono-carbono son normalmente de 0154 nm esto indica el grado de
doble enlace en la mitad de enlace simple [4]
22 Aplicaciones
La produccioacuten de butadieno mundial estaacute dominada por las fracciones de craqueo por vapor
de C4 convirtieacutendose en la ruta ideal para maacutes del 95 de la produccioacuten de butadieno En la
Figura 3 se puede distinguir la situacioacuten mundial de butadieno en 1998 y destacar por
ejemplo que en el caso de Europa Occidental la materia especiacutefica de craqueo se centra en la
nafta El motivo de este dominio son los altos rendimientos conseguidos a traveacutes de este
medio sin embargo en la actualidad su aplicacioacuten ha disminuido ligeramente debido al
desarrollo de nuevas teacutecnicas de deshidrogenacioacuten oxidativa como se veraacute en los apartados
siguientes
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 [1]
El butadieno se usa principalmente como monoacutemero en la fabricacioacuten de cauchos o
elastoacutemeros sinteacuteticos como se aprecia en la Figura 4 suponiendo aproximadamente el 70
del uso de butadieno Entre los poliacutemeros destacados de esta aplicacioacuten son Estireno-
butadieno (SBR) caucho de polibutadieno (PBR) policloropreno (Neopreno) y caucho de
nitrilo (NBR) Ademaacutes como monoacutemero es importante como intermediario en la produccioacuten de
algunos productos quiacutemicos (gracias a su alta reactividad quiacutemica) Los cauchos anteriormente
mencionados se distinguiriacutean de la siguiente forma [4]
Caucho estireno-butadieno (SBR) se obtiene por la polimerizacioacuten de estireno y
butadieno constituyendo la mayor aplicacioacuten de butadieno El uso principal de SBR
5
estaacute en neumaacuteticos y en menor cantidad en adhesivos y selladores suelas de zapatos
revestimientos de alambre y cable
Polibutadieno (PB) producido por la polimerizacioacuten de butadieno es el segundo
monoacutemero maacutes usado Ademaacutes de coacutemo materia prima para neumaacuteticos el PB se
utiliza como producto intermedio en la produccioacuten de acrilonitrilo-butadieno-estireno
(ABS) y modificadores de impacto
Laacutetex Estireno-butadieno (SBL) se trata de una dispersioacuten acuosa estable que contiene
discretas partiacuteculas de poliacutemero de aproximadamente 005 a 5 microacutemetros de
diaacutemetro Entre sus aplicaciones consta la goma espuma (cojines esponjas) adhesivos
(pavimentos azulejos) selladores y revestimientos de papel
Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno (ABS) resinas ABS son mezclas de dos fases Se pueden
producir por polimerizacioacuten donde los homopoliacutemeros de polibutadieno se injertan en
un copoliacutemero de estierno-acronitrilo Estas resinas posee una amplia gama de
aplicaciones que incluyen de piezas de automoacuteviles teleacutefonos maacutequinas de oficina tales
como ordenadores y electrodomeacutesticos
Caucho de nitrilo (NBR) este caucho es producido en menor cantidad que los anteriores
y se obtiene a partir de la copolimerizacioacuten de acrilonitrilo y butadieno Este material se
utiliza en productos como mangueras tuberiacuteas de combustible adhesivos guantes y
calzado
Copoliacutemero de bloques de Estireno-butadieno (SBS Y SEBS) sus aplicaciones son incluidas
en aditivos para aceites lubricantes adhesivos aplicaciones de automocioacuten alimentos y
otro tipo de envases dispositivos meacutedicos
Metacrilato de metilo-butadieno-estireno (MMBS) su produccioacuten es maacutes escasa ya que
se dedica como modificador de impacto en piezas de automoacuteviles botellas y envases de
alimentos
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU 2000 (a la derecha) [45]
6
Ademaacutes de los poliacutemeros como se mencionoacute anteriormente el butadieno constituye distintos
intermediarios quiacutemicos En la figura 5 puede apreciarse los tipos de poliacutemeros enumerados y
los compuestos quiacutemicos principales como adiponitrilo cloropropano y sus posteriores
aplicaciones
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno [4]
23 Potencial de exposicioacuten
El butadieno forma parte en la produccioacuten de productos industriales y de consumo sin
embargo sobre la base de estos usos los individuos pueden estar expuestos de diferentes
formas [5]
Exposicioacuten Diaria es la exposicioacuten que afecta a los individuos que trabajan en
instalaciones de butadieno y plantas de productos que emplean este compuesto En
estas instalaciones se pueden enfrentar a las exposiciones maacutes comunes de butadieno
por fallo mecaacutenico de un sello de la bomba el paquete de la vaacutelvula conexioacuten de la
tuberiacutea o junta Sin embargo los responsables emplean sistemas de seguridad
restrictivos regulados y controlados por permisos y normas
7
Exposicioacuten del consumidor de producto conteniente en butadieno los consumidores
estaacuten expuestos a niveles bajos o no detectables de butadieno (butadieno no se vende
para uso de consumidores) a traveacutes de la ingesta de alimentos que estaban
almacenados en envases contenedores de butadieno
Emisiones al medio ambiente butadieno se libera en el medio ambiente tanto de
fuentes industriales y no industriales Ante cualquier emisioacuten el sistema de control se
centra en evitar cualquier probabilidad de incendio y controlar los derrames
reduciendo la contaminacioacuten de aire suelo y aguas superficiales o subterraacuteneas Su
alta presioacuten de vapor y la insolubilidad de agua hace que se acumule en el aire creando
un riesgo en la inhalacioacuten (de ahiacute es necesario proteccioacuten de las viacuteas respiratoria ante
cualquier derrame o fuga)
Riesgo para la salud
Contacto con los ojos butadieno liacutequido puede causar la congelacioacuten si entra en
contacto con los ojos y se evapora raacutepidamente Los vapores de butadieno pueden
causar irritacioacuten en los ojos causando incomodidad y enrojecimiento
Contacto con la piel butadieno no es irritante para la piel aunque el butadieno liacutequido
puede causar congelacioacuten si entra en contacto con la piel
Ingestioacuten es poco probable ya que el material es un gas a temperatura y presioacuten
ambiente Aunque el contacto con butadieno liacutequido podriacutea dar lugar a la congelacioacuten
de los labios
Inhalacioacuten zonas cerradas o poco ventilados los vapores de butadieno se pueden
acumular y causar inconsciencia y la muerte Las exposiciones excesivas pueden causar
irritacioacuten en el sistema respiratorio superior (nariz y garganta) o efectos en el sistema
nervioso central Los siacutentomas pueden incluir efectos anesteacutesicos o narcoacuteticos como
mareo o somnolencia
Exposicioacuten repetida exposiciones excesivas repetidas se han reportado efectos en los
rintildeones el hiacutegado los ovarios las viacuteas respiratorias y los testiacuteculos La exposicioacuten
excesiva puede causar dantildeo a los oacuterganos hematopoyeacuteticos (medula oacutesea y bazo)
Carcinogenecidad el butadieno aparece como un carcinoacutegeno humano por la Agencia
Internacional para la Investigacioacuten sobre el Caacutencer
24 Procesos comerciales de butadieno
La produccioacuten de butadieno desde su descubrimiento a traveacutes de la piroacutelisis de materiales
orgaacutenicos ha sido desarrollada a la misma vez que la industria petroquiacutemica En primer lugar
8
el butadieno era generado a partir del acetileno asiacute como del etanol No obstante la
importancia de estos procesos ha disminuido debido a la creciente produccioacuten de butadieno a
partir del petroacuteleo Se han desarrollado tres sistemas de produccioacuten a traveacutes de esta fuente
[1 24]
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
Es el camino maacutes utilizado para la produccioacuten de butadieno en paiacuteses como Estados Unidos
Oeste de Europa y Japoacuten representando aproximadamente el 91 del suministro mundial de
butadieno En este caso no existe una materia prima principal sino que tanto etano propano
butano nafta y gasoacuteleo se alimentan a una pirolisis (craqueo al vapor) de horno donde
combinado con vapor de agua alcanza temperaturas de entre aproximadamente 790-830ordmC
En este rango de temperatura los enlaces C-C y C-H se rompen produciendo hidrogeno
etileno propileno butadieno benceno tolueno y otros co-productos olefiacutenicos importantes
Despueacutes de la pirolisis se enfriacutea el resto de la planta separa los productos deseados en
distintos cortes de acuerdo a las especificaciones impuestas a cada uno de ellos A
continuacioacuten se aprecia en la Figura 6 un ejemplo de los distintos rendimientos de butadieno
respecto a distintas materias primas
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas [3]
La corriente de producto de butadieno crudo final alcanza concentraciones de hasta
aproximadamente un 75 en peso (esta concentracioacuten puede variar en funcioacuten de reciclo en el
sistema)
Como se puede distinguir en la liacutenea roja de la Figura 7 el butadieno experimenta una serie de
tratamientos posterior a su piroacutelisis como enfriamiento compresioacuten lavado secado y
finalmente un proceso de extraccioacuten para obtener la corriente final de butadieno
9
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking [3]
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
Esta deshidrogenacioacuten constituye parte principal del proceso y se constituye en dos etapas de
trabajo primero convirtiendo n-butano a n-butenos y luego a butadieno (etapas
endoteacutermicas) Estas zonas presentan ademaacutes de los reactores principales (trabajando
aproximadamente en rangos de P absoluta de 12-15 cmHg y T de 600-680ordmC) dos reactores
instalados de forma continua Se pueden apreciar en la Figura 8 el segundo reactor se
utilizariacutea para la regeneracioacuten de catalizador mientras que el tercer reactor es el encargado de
purgar antes de que empiece la regeneracioacuten (de esta manera se comporta como un sistema
continua de produccioacuten)
10
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno [3]
El tiempo de residencia de la alimentacioacuten en el reactor es de aproximadamente de 5 a 15
minutos Ademaacutes a la misma vez que va disminuyendo la temperatura en el lecho de
catalizador se va formando una capa de coque en el lecho Para hacer frente al problema del
coque este proceso posee un sistema de regeneracioacuten que emplea aire precalentado para
quemar esta deposicioacuten (a la misma vez aporta el calor necesario para alcanzar la temperatura
deseada) El efluente del reactor se somete a una serie de tratamientos primer lugar la
corriente se enfriacutea en una torre de enfriamiento posteriormente se comprime antes de la
alimentacioacuten al sistema de absorcioacutenstripper En este complejo de absorcioacuten se consigue un
concentrado de C4 para el sistema final de extraccioacuten de butadieno obteniendo una corriente
de producto de butadieno de gran pureza Esta ruta de proceso se trabaja a un rango de
conversioacuten de aproximadamente un 30-40 y un rendimiento total de 60-65
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
Es un sistema que ha reemplazado a muchos procesos antiguos de produccioacuten de butadieno
debido al desarrollo de varios procesos y sistemas de catalizadores de oxideshidrogenacioacuten de
cualquier n-butano o de n-buteno El 1-buteno es mucho maacutes reactivo y requiere condiciones
de operacioacuten menos severas que la de n-butano siendo el empleo de n-butano menos
eficiente Como recomendaciones en la oxideshidrogenacioacuten una mezcla de n-butenos aire y
vapor se hace pasar sobre un lecho de catalizador a baja presioacuten y aproximadamente de 500-
600ordmC El calor de la reaccioacuten exoteacutermica puede ser eliminado indirectamente mediante la
circulacioacuten de sal fundida o por un meacutetodo alternativo que consiste en antildeadir vapor de agua a
la alimentacioacuten (actuando como disipador de calor) En el proceso Oxo-D como se observa en
11
la Figura 9 una mezcla de aire vapor y 1-buteno se hace pasar sobre el catalizador de
deshidrogenacioacuten en un proceso continuo
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos [3]
Como parte final del proceso el efluente del reactor se enfriacutea y como en el sistema anterior
los componentes C4 se recuperan en un absorbedordesgasificadorstripper El aceite como
disolvente fluye desde los fondos del stripper y regresa al absorbedor aunque antes pasa
traveacutes de una zona de purificacioacuten de disolvente Para obtener la corriente de butadieno final
es necesario eliminar la cantidad de disolvente (aceite) por medio de un stripper y un sistema
de purificacioacuten para obtener la corriente final El rango de rendimiento y selectividad puede
variar entre 70-90 lo que hace innecesario recuperar o reciclar material de alimentacioacuten (la
formacioacuten de C02 como reaccioacuten secundaria puede producir la peacuterdida de rendimiento del
proceso)
12
3 Descripcioacuten del proceso
En el estudio de este proyecto y tras analizar cada una de las opciones de trabajo para la
deshidrogenacioacuten de n-butanos se ha decidido seguir un sistema de deshidrogenacioacuten en dos
etapas [13 67]
1) Deshidrogenacioacuten no oxidativa de los n-butanos para obtener n-butenos
2) Deshidrogenacioacuten oxidativa (oxideshidrogenacioacuten) de los n-butenos para producir
butadieno
Como ya se ha dicho con anterioridad existen tres caminos de produccioacuten de butadieno sin
embargo se considera principalmente debido a la necesidad de eficiencia implantar dos fases
distintas de deshidrogenacioacuten La primera fase que corresponde al proceso Catadiene que
consiste en una deshidrogenacioacuten no oxidativa del n-butano mientras que se complementa
con una zona de oxideshidrogenacioacuten de los n-butenos Se ha decidido tomar este sistema
debido a las siguientes razones
o Mayor conversioacuten y selectividad global gracias a la oxideshidrogenacioacuten el aporte de
oxiacutegeno permite eliminar parte de hidrogeno en forma de agua (rendimiento aprox de
65 y una selectividad de 93)
o Oxiacutegeno junto al vapor alimentado disminuye la coquizacioacuten del catalizador
o Bajo consumo de vapor respecto a la deshidrogenacioacuten no oxidativa
o Adicioacuten de oxiacutegeno en la deshidrogenacioacuten de n-butanos genera una gran cantidad de
productos indeseados debido a que a las altas temperaturas requeridas favorece la
reaccioacuten del oxiacutegeno
o Butenos son muchos maacutes reactivos de ahiacute que necesiten condiciones de operacioacuten
menos severas por lo que no es praacutectico la oxideshidrogenacioacuten del n-butano
Este sistema de deshidrogenacioacuten se dividiraacute en tres fases de procesamiento como se observa
en el diagrama de bloques de la Figura 10
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno (6)
13
En primer lugar este medio de produccioacuten parte de una corriente de n-butanos isobutano
propano y un porcentaje de hidrocarburos (C5) la cual necesita ser tratada para obtener una
corriente pura de n-butanos Este sistema presenta un tren de separacioacuten en primer lugar una
columna de destilacioacuten que lo separe en una corriente de n-butano y posteriormente
aprovechar la corriente de isobutanos con un reactor de isomerizacioacuten para generar maacutes n-
butano o como producto final para otros procesos Maacutes adelante en el proyecto se decidiraacute
que se haraacute con el isobutano
Una vez obtenida la corriente de n-butano se alimenta a la zona de deshidrogenacioacuten
encargada de deshidrogenizar para conseguir el butadieno Como ya se ha enunciado se
instalaraacuten dos zonas de deshidrogenacioacuten con condiciones de operacioacuten diferentes La
deshidrogenacioacuten no oxidativa de n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica trabajando
a un rango de temperatura de 600-700ordmC y una presioacuten de 05-8 bar (3) La reaccioacuten principal
en el primer reactor seriacutea la formacioacuten de buteno a traveacutes de la peacuterdida de hidroacutegeno de n-
butano para dar 1-buteno
C4H10 C4H8 (1-buteno) + H2
Para aportar el calor necesario de reaccioacuten se puede quemar in-situ el hidroacutegeno liberado
antildeadiendo una corriente de oxiacutegeno (aire) Suele ser necesario antildeadir hidroacutegeno adicional
externamente para satisfacer totalmente el calor de reaccioacuten
H2 + O2 H2O
Estas reacciones se catalizan selectivamente por catalizadores especializados a este sistema
Los catalizadores se pueden separar en dos partes fundamentales como soporte y composicioacuten
activa En primer lugar el soporte consiste generalmente en un oacutexido resistente al calor u
oacutexido mixto Los oacutexidos empleados preferentemente son los oacutexidos de aluminio oacutexido de
cromo o dioacutexido de silicio La composicioacuten activa de los catalizadores de deshidrogenacioacuten se
comprende generalmente en uno o maacutes metales del grupo de transicioacuten VII de la tabla
perioacutedica preferentemente platino yo paladio En este caso para este reactor se utiliza el
catalizador maacutes comuacuten que es una mezcla de oacutexido de aluminio y oacutexido de cromo Los
catalizadores de deshidrogenacioacuten en su funcioacuten se degeneran con la necesidad de montar un
reactor en paralelo que permita su regeneracioacuten de forma continua Ademaacutes como se observa
14
en el diagrama de bloques de la figura 10 es necesario la aplicacioacuten a estas zonas de
deshidrogenacioacuten de aire a traveacutes del lecho catalizador
Una vez obtenida la corriente de n-butenos se alimenta al segundo reactor con la diferencia
que necesita la alimentacioacuten de oxiacutegeno para la deshidrogenacioacuten oxidativa del 1-buteno La
adiccioacuten de oxigeno permite mejorar la conversioacuten y la selectividad de la deshidrogenacioacuten de
n-buteno eliminando el hidrogeno (7)
2 C4H8 + O2 2 C4H6 + 2 H2O (Reaccioacuten principal)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O (Reaccioacuten secundaria)
Como al igual que la deshidrogenacioacuten no oxidativa para la deshidrogenacioacuten del 1-buteno se
necesita un catalizador preferentemente un sistema de oacutexido multimetaacutelico Mo-Bi-Fe-O En
esta reaccioacuten aparece la formacioacuten de CO2 como reaccioacuten secundaria indeseada a partir del 1-
buteno Una vez obtenida la corriente final de butadieno n-butano no convertido y los demaacutes
co-productos se llevan a un tren de separacioacuten que consta de una columna de destilacioacuten
extractiva con un solvente En primer lugar la columna de destilacioacuten se separa el resto de
hidrocarburos (n-butanos sin reaccionar) por cabeza mientras que el 13-butadieno sale por
fondos Los fondos presentan gran cantidad de disolvente de ahiacute que utilicen una columna de
recuperacioacuten de disolvente para obtener el butadieno final
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
ii
Trabajo de Fin de Grado
Grado de Ingenieriacutea Quiacutemica
Ingenieriacutea baacutesica de una planta de produccioacuten de butadieno a
partir de deshidrogenacioacuten de n-butanos
Autor
Manuel Izquierdo Herrera
Tutor
Aacutengel L Villanueva Perales
Profesor Contratado Doctor
Dep de Ingenieriacutea Quiacutemica y Ambiental
Escuela Teacutecnica Superior de Ingenieriacutea
Universidad de Sevilla
Sevilla 2016
iii
iv
ldquoTodo de e ha erse tan simple como sea posible pero no maacutes simple
Albert Einstein (1879-1955)
v
vi
Agradecimientos
Despueacutes de cinco antildeos estudiando en esta facultad uno mira atraacutes y se sorprende de todo el
camino recorrido y a la misma vez te das cuenta de lo que cuesta conseguir las metas
personales Aunque haya sido duro tengo que decir que he aprendido tanto profesional como
personalmente gracias a todos los obstaacuteculos que esta carrera me ha puesto en el camino Hoy
puedo decir que me siento orgulloso y satisfecho de todo lo que he hecho porque este es mi
uacuteltimo trabajo que llevareacute a cabo en esta Escuela Teacutecnica y es un punto y final a tanto
esfuerzo
Aunque todo esto no hubiera sido posible sin las personas que siempre han estado ahiacute en las
buenas y en las malas como mis padres mi hermano mis abuelos mi pareja y todos esos
amigos que siempre tienen un momento que regalarte Y no me puedo olvidar de todas esas
personas que han compartido conocido y que me llevo de esta etapa que nunca se iraacuten y
siempre me gustaraacute tenerlos cercas
vii
viii
Resumen
El trabajo que se tiene lugar en este documento se basa en el estudio de viabilidad teacutecnica de
una planta de produccioacuten de butadieno a partir de la deshidrogenacioacuten de n-butanos Se
selecciona la produccioacuten anual de butadieno de una planta referente como criterio de disentildeo
Para llevar a cabo este estudio se emplea un programa de simulacioacuten que en este caso es
Aspen Plus 88
Las conclusiones relevantes de este trabajo es el empleo conjunto de dos rutas principales de
butadieno como es la deshidrogenacioacuten de n-butano y la oxideshidrogenacioacuten e n-butenos en
el proceso Ademaacutes se obtiene el disentildeo de los equipos maacutes representativos del proceso
estudiado asiacute como Columna de destilacioacuten bomba compresor reactor de
oxideshidrogenacioacuten e intercambiador de calor
ix
Abstract
The work takes place in this document is based on technical feasibility study of a production of
butadiene from the dehydrogenation of n-butane The annual production of butadiene is
selected as a reference plant design criteria To carry out this study it is realized with a
simulation program in this case Aspen Plus 88
The main conclusions of this work is the use of two main routes set butadiene as the
dehydrogenation of n-butane and oxidative dehydrogenation of n-butene in this process
Besides it is obtained the design of representative equipment Distillation column pump
compressor oxydehydrogenation reactor and heat exchanger
x
xi
Iacutendice
Agradecimientos ______________________________________________________ vi
Resumen ____________________________________________________________ viii
Abstract _____________________________________________________________ ix
Iacutendice _______________________________________________________________ xi
Iacutendice de Tablas ______________________________________________________ xiv
Iacutendice de Figuras _____________________________________________________ xvi
1 Alcance y objetivo __________________________________________________ 1
2 Introduccioacuten ______________________________________________________ 2
21 Caracteriacutesticas de butadieno ____________________________________________ 3
22 Aplicaciones _________________________________________________________ 4
23 Potencial de exposicioacuten ________________________________________________ 6
24 Procesos comerciales de butadieno ______________________________________ 7
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos _______________________________ 8
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry) _____________ 9
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno ____________________________________ 10
3 Descripcioacuten del proceso ____________________________________________ 12
31 Etapas de produccioacuten ________________________________________________ 15
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano _____________________________________ 15
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos _________________________ 15
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos ___________________________ 17
314 Separacioacuten de butadieno _________________________________________________ 18
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus ________________________________ 20
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten ______________________________ 20
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten _____________________________ 21
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano _________________________________________ 23
421 Modelo de simulacioacuten de reactores _________________________________________ 23
43 Integracioacuten energeacutetica _______________________________________________ 24
44 Equipos reguladores de presioacuten ________________________________________ 25
45 Destino final del isobutano separado ____________________________________ 26
xii
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos _______________________________ 28
51 Fase de tratamiento _________________________________________________ 31
511 Compresor (C-1) ________________________________________________________ 31
512 Columna de destilacioacuten (D-1) ______________________________________________ 36
513 Bomba (B-1)____________________________________________________________ 37
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3) _______________________________________ 39
52 Reactores de deshidrogenacioacuten ________________________________________ 42
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa ___________________________________ 42
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo ____________________________________ 43
53 Intercambiadores de calor ____________________________________________ 44
5 Bibliografiacutea ______________________________________________________ 47
xiii
xiv
Iacutendice de Tablas
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de tiempo de residencia normal de trabajo en reactores de
deshidrogenacioacuten no oxidativa 17
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos 18
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten 18
Tabla 4 Disolventes usaos industrialmente 19
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso 30
Tabla 6 Especificaciones de C-1 31
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1) 36
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1 37
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1 37
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2) 39
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2 40
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3) 40
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3 40
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten 41
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados 42
Tabla 16 Temperaturas de las corrientes en INT-1 44
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1 44
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2 45
Tabla 19 Temperaturas de las corrientes en INT-3 45
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4 45
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4 46
xv
xvi
Iacutendice de Figuras
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno 2
Figura 2 Propiedades de butadieno 3
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 4
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU
2000 (a la derecha) 5
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno 6
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas 8
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking 9
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno 10
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos 11
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno 12
Figura 11 Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten 15
Figura 12 Diagrama de proceso de la planta de butadieno 28
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados 34
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores 35
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso 36
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba 38
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH 39
xvii
1
1 Alcance y objetivo
En este proyecto se desarrolla la ingenieriacutea baacutesica de una planta de produccioacuten de butadieno a
partir de la deshidrogenacioacuten de n-butanos
El trabajo se centra en el estudio en profundidad del proceso de obtencioacuten de butadieno a
traveacutes de una de las rutas de proceso maacutes empleados en la actualidad deshidrogenacioacuten y
oxideshidrogenacioacuten Se marca como objetivo conocer primeramente las caracteriacutesticas del
butadieno y todas sus formas de produccioacuten para mostrar la utilidad que tiene esta ruta
actualmente A la misma vez se justifica la eleccioacuten del proceso elegido comparando las
distintas caracteriacutesticas de cada uno
En esta descripcioacuten del proceso se incluye un anaacutelisis global de cada una de las etapas para a
continuacioacuten especificar cada una de ellas Esta informacioacuten se utiliza para poder completar el
diagrama de proceso y constituir la simulacioacuten de una planta de butadieno Este trabajo
permite estudiar e investigar un proceso poco convencional y poner en praacutectica los
conocimientos estudiados Se lleva a cabo con el programa Aspen Plus donde se intenta
representar el diagrama tendiendo a todas las especificaciones impuestas y conseguir una
visioacuten real numeacuterica del proceso estudiado En este programa se pondraacute en praacutectica el uso de
balances de materia y energiacutea necesarios para comprender los resultados obtenidos Por
uacuteltimo se aprovechan los caacutelculos realizados en el simulador para disentildear los equipos maacutes
representativos en el sistema Para ello antes hay que disentildear un diagrama de proceso con las
directrices estudiadas tanto en la informacioacuten buscada como los conceptos adquiridos
Como criterio de disentildeo se fija una capacidad de produccioacuten acorde con una planta de
butadieno que utiliza como materia prima el n-butano ademaacutes de un disentildeo que represente
los equipos industriales necesarios comuacutenmente en este tipo de proceso Aunque se trata de
una ingenieriacutea baacutesica se decide durante la realizacioacuten del mismo no llevar a cabo el balance
econoacutemico de todo el proyecto ya que se considera prescindible debido a sus numerosas
praacutecticas durante la carrera
2
2 Introduccioacuten
El butadieno (se habla de 13 butadieno ya que conforma el hidrocarburo C4 insaturado maacutes
importante econoacutemicamente) es un producto importante de la industria petroquiacutemica Su
sencilla estructura quiacutemica (figura 1) combinada con su bajo peso molecular y alta reactividad
quiacutemica hace que sea un elemento muy uacutetil en la siacutentesis de otros materiales [1]
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno
Antes del desarrollo de la industria de butadieno el butadieno aparece en 1863 cuando el
quiacutemico franceacutes E Caventou aisloacute un hidrocarburo hasta ahora desconocido con la piroacutelisis de
alcohol amiacutelico Este hidrocarburo se identificoacute como butadieno en 1886 despueacutes de que
Henry Edward Amstronglo lo aislara de unos de los productos de la piroacutelisis de petroacuteleo En
1910 el quiacutemico ruso Sergei Lebedev polimerizoacute el butadieno obteniendo un material con
propiedades similares al caucho Este poliacutemero no fue lo suficiente adecuado para reemplazar
el caucho natural en muchas aplicaciones sobre todo en los neumaacuteticos del automoacutevil A partir
de ahiacute la industria de butadieno se centroacute en las necesidades de la Segunda Guerra Mundial
ya que las naciones combatientes como Alemania y Estados Unidos apostaron por disminuir la
dependencia de las industrias del caucho controladas por el Gobierno Britaacutenico [1]
Hasta la actualidad la produccioacuten mundial de butadieno ha estado ligada a la demanda de
manufacturacioacuten de neumaacuteticos Como estudios de 2015 reflejan por primera vez desde 2000
la produccioacuten europea de caucho sinteacutetico a partir de butadieno superoacute la demanda como
resultado de la contraccioacuten de la industria automoviliacutestica Este mismo estudio cifra que la
demanda europea fue de 2459778 toneladas mientras que la produccioacuten se situoacute en
2246137 toneladas Sin embargo observando el futuro de este producto se espera invertir la
situacioacuten superando la produccioacuten a la demanda por 162953 toneladas Ante esta situacioacuten las
3
empresas se mueven hacia un mercado de exportacioacuten con el objetivo de conseguir la
produccioacuten deseada Alguacuten ejemplo apreciable es la expansioacuten de la empresa alemana
LyondellBsell con su unidad de extraccioacuten en Wesseling Alemania y los planes de Versalis para
construir una nueva unidad de 70000 toneladasantildeo en su planta de Dunkerque Francia [2]
21 Caracteriacutesticas de butadieno
Este compuesto presenta propiedades quiacutemicas y fiacutesicas como gas inflamable incoloro con un
olor suave y aromaacutetico ademaacutes de ser altamente reactivo Es soluble en alcohol y eacuteter
insoluble en agua y se polimeriza faacutecilmente (en particular si el oxiacutegeno estaacute presente) Debido
a sus dobles enlaces conjugados pueden tomar parte en numerosas reacciones que incluyen
12- y 14- adicionales con siacute mismo (polimerizacioacuten) y de otros reactivos la dimerizacioacuten lineal
y de trimerizacioacuten y formacioacuten de anillo En la figura 2 siguiente muestra una tabla con las
propiedades principales de este compuesto
Figura 2 Propiedades de butadieno [3]
El 13-butadieno el dieno conjugado maacutes simple ha sido sometido a numerosos estudios para
comprender todas sus propiedades fiacutesicas y quiacutemicas La unioacuten de los dobles enlaces hace que
sea 15kJmol maacutes estable termodinaacutemicamente que una moleacutecula con dos enlaces simples La
4
longitud del doble enlace en 13-butadieno es 0134 nm y los enlaces simples 0148 Ya que los
enlaces simples de carbono-carbono son normalmente de 0154 nm esto indica el grado de
doble enlace en la mitad de enlace simple [4]
22 Aplicaciones
La produccioacuten de butadieno mundial estaacute dominada por las fracciones de craqueo por vapor
de C4 convirtieacutendose en la ruta ideal para maacutes del 95 de la produccioacuten de butadieno En la
Figura 3 se puede distinguir la situacioacuten mundial de butadieno en 1998 y destacar por
ejemplo que en el caso de Europa Occidental la materia especiacutefica de craqueo se centra en la
nafta El motivo de este dominio son los altos rendimientos conseguidos a traveacutes de este
medio sin embargo en la actualidad su aplicacioacuten ha disminuido ligeramente debido al
desarrollo de nuevas teacutecnicas de deshidrogenacioacuten oxidativa como se veraacute en los apartados
siguientes
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 [1]
El butadieno se usa principalmente como monoacutemero en la fabricacioacuten de cauchos o
elastoacutemeros sinteacuteticos como se aprecia en la Figura 4 suponiendo aproximadamente el 70
del uso de butadieno Entre los poliacutemeros destacados de esta aplicacioacuten son Estireno-
butadieno (SBR) caucho de polibutadieno (PBR) policloropreno (Neopreno) y caucho de
nitrilo (NBR) Ademaacutes como monoacutemero es importante como intermediario en la produccioacuten de
algunos productos quiacutemicos (gracias a su alta reactividad quiacutemica) Los cauchos anteriormente
mencionados se distinguiriacutean de la siguiente forma [4]
Caucho estireno-butadieno (SBR) se obtiene por la polimerizacioacuten de estireno y
butadieno constituyendo la mayor aplicacioacuten de butadieno El uso principal de SBR
5
estaacute en neumaacuteticos y en menor cantidad en adhesivos y selladores suelas de zapatos
revestimientos de alambre y cable
Polibutadieno (PB) producido por la polimerizacioacuten de butadieno es el segundo
monoacutemero maacutes usado Ademaacutes de coacutemo materia prima para neumaacuteticos el PB se
utiliza como producto intermedio en la produccioacuten de acrilonitrilo-butadieno-estireno
(ABS) y modificadores de impacto
Laacutetex Estireno-butadieno (SBL) se trata de una dispersioacuten acuosa estable que contiene
discretas partiacuteculas de poliacutemero de aproximadamente 005 a 5 microacutemetros de
diaacutemetro Entre sus aplicaciones consta la goma espuma (cojines esponjas) adhesivos
(pavimentos azulejos) selladores y revestimientos de papel
Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno (ABS) resinas ABS son mezclas de dos fases Se pueden
producir por polimerizacioacuten donde los homopoliacutemeros de polibutadieno se injertan en
un copoliacutemero de estierno-acronitrilo Estas resinas posee una amplia gama de
aplicaciones que incluyen de piezas de automoacuteviles teleacutefonos maacutequinas de oficina tales
como ordenadores y electrodomeacutesticos
Caucho de nitrilo (NBR) este caucho es producido en menor cantidad que los anteriores
y se obtiene a partir de la copolimerizacioacuten de acrilonitrilo y butadieno Este material se
utiliza en productos como mangueras tuberiacuteas de combustible adhesivos guantes y
calzado
Copoliacutemero de bloques de Estireno-butadieno (SBS Y SEBS) sus aplicaciones son incluidas
en aditivos para aceites lubricantes adhesivos aplicaciones de automocioacuten alimentos y
otro tipo de envases dispositivos meacutedicos
Metacrilato de metilo-butadieno-estireno (MMBS) su produccioacuten es maacutes escasa ya que
se dedica como modificador de impacto en piezas de automoacuteviles botellas y envases de
alimentos
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU 2000 (a la derecha) [45]
6
Ademaacutes de los poliacutemeros como se mencionoacute anteriormente el butadieno constituye distintos
intermediarios quiacutemicos En la figura 5 puede apreciarse los tipos de poliacutemeros enumerados y
los compuestos quiacutemicos principales como adiponitrilo cloropropano y sus posteriores
aplicaciones
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno [4]
23 Potencial de exposicioacuten
El butadieno forma parte en la produccioacuten de productos industriales y de consumo sin
embargo sobre la base de estos usos los individuos pueden estar expuestos de diferentes
formas [5]
Exposicioacuten Diaria es la exposicioacuten que afecta a los individuos que trabajan en
instalaciones de butadieno y plantas de productos que emplean este compuesto En
estas instalaciones se pueden enfrentar a las exposiciones maacutes comunes de butadieno
por fallo mecaacutenico de un sello de la bomba el paquete de la vaacutelvula conexioacuten de la
tuberiacutea o junta Sin embargo los responsables emplean sistemas de seguridad
restrictivos regulados y controlados por permisos y normas
7
Exposicioacuten del consumidor de producto conteniente en butadieno los consumidores
estaacuten expuestos a niveles bajos o no detectables de butadieno (butadieno no se vende
para uso de consumidores) a traveacutes de la ingesta de alimentos que estaban
almacenados en envases contenedores de butadieno
Emisiones al medio ambiente butadieno se libera en el medio ambiente tanto de
fuentes industriales y no industriales Ante cualquier emisioacuten el sistema de control se
centra en evitar cualquier probabilidad de incendio y controlar los derrames
reduciendo la contaminacioacuten de aire suelo y aguas superficiales o subterraacuteneas Su
alta presioacuten de vapor y la insolubilidad de agua hace que se acumule en el aire creando
un riesgo en la inhalacioacuten (de ahiacute es necesario proteccioacuten de las viacuteas respiratoria ante
cualquier derrame o fuga)
Riesgo para la salud
Contacto con los ojos butadieno liacutequido puede causar la congelacioacuten si entra en
contacto con los ojos y se evapora raacutepidamente Los vapores de butadieno pueden
causar irritacioacuten en los ojos causando incomodidad y enrojecimiento
Contacto con la piel butadieno no es irritante para la piel aunque el butadieno liacutequido
puede causar congelacioacuten si entra en contacto con la piel
Ingestioacuten es poco probable ya que el material es un gas a temperatura y presioacuten
ambiente Aunque el contacto con butadieno liacutequido podriacutea dar lugar a la congelacioacuten
de los labios
Inhalacioacuten zonas cerradas o poco ventilados los vapores de butadieno se pueden
acumular y causar inconsciencia y la muerte Las exposiciones excesivas pueden causar
irritacioacuten en el sistema respiratorio superior (nariz y garganta) o efectos en el sistema
nervioso central Los siacutentomas pueden incluir efectos anesteacutesicos o narcoacuteticos como
mareo o somnolencia
Exposicioacuten repetida exposiciones excesivas repetidas se han reportado efectos en los
rintildeones el hiacutegado los ovarios las viacuteas respiratorias y los testiacuteculos La exposicioacuten
excesiva puede causar dantildeo a los oacuterganos hematopoyeacuteticos (medula oacutesea y bazo)
Carcinogenecidad el butadieno aparece como un carcinoacutegeno humano por la Agencia
Internacional para la Investigacioacuten sobre el Caacutencer
24 Procesos comerciales de butadieno
La produccioacuten de butadieno desde su descubrimiento a traveacutes de la piroacutelisis de materiales
orgaacutenicos ha sido desarrollada a la misma vez que la industria petroquiacutemica En primer lugar
8
el butadieno era generado a partir del acetileno asiacute como del etanol No obstante la
importancia de estos procesos ha disminuido debido a la creciente produccioacuten de butadieno a
partir del petroacuteleo Se han desarrollado tres sistemas de produccioacuten a traveacutes de esta fuente
[1 24]
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
Es el camino maacutes utilizado para la produccioacuten de butadieno en paiacuteses como Estados Unidos
Oeste de Europa y Japoacuten representando aproximadamente el 91 del suministro mundial de
butadieno En este caso no existe una materia prima principal sino que tanto etano propano
butano nafta y gasoacuteleo se alimentan a una pirolisis (craqueo al vapor) de horno donde
combinado con vapor de agua alcanza temperaturas de entre aproximadamente 790-830ordmC
En este rango de temperatura los enlaces C-C y C-H se rompen produciendo hidrogeno
etileno propileno butadieno benceno tolueno y otros co-productos olefiacutenicos importantes
Despueacutes de la pirolisis se enfriacutea el resto de la planta separa los productos deseados en
distintos cortes de acuerdo a las especificaciones impuestas a cada uno de ellos A
continuacioacuten se aprecia en la Figura 6 un ejemplo de los distintos rendimientos de butadieno
respecto a distintas materias primas
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas [3]
La corriente de producto de butadieno crudo final alcanza concentraciones de hasta
aproximadamente un 75 en peso (esta concentracioacuten puede variar en funcioacuten de reciclo en el
sistema)
Como se puede distinguir en la liacutenea roja de la Figura 7 el butadieno experimenta una serie de
tratamientos posterior a su piroacutelisis como enfriamiento compresioacuten lavado secado y
finalmente un proceso de extraccioacuten para obtener la corriente final de butadieno
9
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking [3]
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
Esta deshidrogenacioacuten constituye parte principal del proceso y se constituye en dos etapas de
trabajo primero convirtiendo n-butano a n-butenos y luego a butadieno (etapas
endoteacutermicas) Estas zonas presentan ademaacutes de los reactores principales (trabajando
aproximadamente en rangos de P absoluta de 12-15 cmHg y T de 600-680ordmC) dos reactores
instalados de forma continua Se pueden apreciar en la Figura 8 el segundo reactor se
utilizariacutea para la regeneracioacuten de catalizador mientras que el tercer reactor es el encargado de
purgar antes de que empiece la regeneracioacuten (de esta manera se comporta como un sistema
continua de produccioacuten)
10
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno [3]
El tiempo de residencia de la alimentacioacuten en el reactor es de aproximadamente de 5 a 15
minutos Ademaacutes a la misma vez que va disminuyendo la temperatura en el lecho de
catalizador se va formando una capa de coque en el lecho Para hacer frente al problema del
coque este proceso posee un sistema de regeneracioacuten que emplea aire precalentado para
quemar esta deposicioacuten (a la misma vez aporta el calor necesario para alcanzar la temperatura
deseada) El efluente del reactor se somete a una serie de tratamientos primer lugar la
corriente se enfriacutea en una torre de enfriamiento posteriormente se comprime antes de la
alimentacioacuten al sistema de absorcioacutenstripper En este complejo de absorcioacuten se consigue un
concentrado de C4 para el sistema final de extraccioacuten de butadieno obteniendo una corriente
de producto de butadieno de gran pureza Esta ruta de proceso se trabaja a un rango de
conversioacuten de aproximadamente un 30-40 y un rendimiento total de 60-65
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
Es un sistema que ha reemplazado a muchos procesos antiguos de produccioacuten de butadieno
debido al desarrollo de varios procesos y sistemas de catalizadores de oxideshidrogenacioacuten de
cualquier n-butano o de n-buteno El 1-buteno es mucho maacutes reactivo y requiere condiciones
de operacioacuten menos severas que la de n-butano siendo el empleo de n-butano menos
eficiente Como recomendaciones en la oxideshidrogenacioacuten una mezcla de n-butenos aire y
vapor se hace pasar sobre un lecho de catalizador a baja presioacuten y aproximadamente de 500-
600ordmC El calor de la reaccioacuten exoteacutermica puede ser eliminado indirectamente mediante la
circulacioacuten de sal fundida o por un meacutetodo alternativo que consiste en antildeadir vapor de agua a
la alimentacioacuten (actuando como disipador de calor) En el proceso Oxo-D como se observa en
11
la Figura 9 una mezcla de aire vapor y 1-buteno se hace pasar sobre el catalizador de
deshidrogenacioacuten en un proceso continuo
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos [3]
Como parte final del proceso el efluente del reactor se enfriacutea y como en el sistema anterior
los componentes C4 se recuperan en un absorbedordesgasificadorstripper El aceite como
disolvente fluye desde los fondos del stripper y regresa al absorbedor aunque antes pasa
traveacutes de una zona de purificacioacuten de disolvente Para obtener la corriente de butadieno final
es necesario eliminar la cantidad de disolvente (aceite) por medio de un stripper y un sistema
de purificacioacuten para obtener la corriente final El rango de rendimiento y selectividad puede
variar entre 70-90 lo que hace innecesario recuperar o reciclar material de alimentacioacuten (la
formacioacuten de C02 como reaccioacuten secundaria puede producir la peacuterdida de rendimiento del
proceso)
12
3 Descripcioacuten del proceso
En el estudio de este proyecto y tras analizar cada una de las opciones de trabajo para la
deshidrogenacioacuten de n-butanos se ha decidido seguir un sistema de deshidrogenacioacuten en dos
etapas [13 67]
1) Deshidrogenacioacuten no oxidativa de los n-butanos para obtener n-butenos
2) Deshidrogenacioacuten oxidativa (oxideshidrogenacioacuten) de los n-butenos para producir
butadieno
Como ya se ha dicho con anterioridad existen tres caminos de produccioacuten de butadieno sin
embargo se considera principalmente debido a la necesidad de eficiencia implantar dos fases
distintas de deshidrogenacioacuten La primera fase que corresponde al proceso Catadiene que
consiste en una deshidrogenacioacuten no oxidativa del n-butano mientras que se complementa
con una zona de oxideshidrogenacioacuten de los n-butenos Se ha decidido tomar este sistema
debido a las siguientes razones
o Mayor conversioacuten y selectividad global gracias a la oxideshidrogenacioacuten el aporte de
oxiacutegeno permite eliminar parte de hidrogeno en forma de agua (rendimiento aprox de
65 y una selectividad de 93)
o Oxiacutegeno junto al vapor alimentado disminuye la coquizacioacuten del catalizador
o Bajo consumo de vapor respecto a la deshidrogenacioacuten no oxidativa
o Adicioacuten de oxiacutegeno en la deshidrogenacioacuten de n-butanos genera una gran cantidad de
productos indeseados debido a que a las altas temperaturas requeridas favorece la
reaccioacuten del oxiacutegeno
o Butenos son muchos maacutes reactivos de ahiacute que necesiten condiciones de operacioacuten
menos severas por lo que no es praacutectico la oxideshidrogenacioacuten del n-butano
Este sistema de deshidrogenacioacuten se dividiraacute en tres fases de procesamiento como se observa
en el diagrama de bloques de la Figura 10
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno (6)
13
En primer lugar este medio de produccioacuten parte de una corriente de n-butanos isobutano
propano y un porcentaje de hidrocarburos (C5) la cual necesita ser tratada para obtener una
corriente pura de n-butanos Este sistema presenta un tren de separacioacuten en primer lugar una
columna de destilacioacuten que lo separe en una corriente de n-butano y posteriormente
aprovechar la corriente de isobutanos con un reactor de isomerizacioacuten para generar maacutes n-
butano o como producto final para otros procesos Maacutes adelante en el proyecto se decidiraacute
que se haraacute con el isobutano
Una vez obtenida la corriente de n-butano se alimenta a la zona de deshidrogenacioacuten
encargada de deshidrogenizar para conseguir el butadieno Como ya se ha enunciado se
instalaraacuten dos zonas de deshidrogenacioacuten con condiciones de operacioacuten diferentes La
deshidrogenacioacuten no oxidativa de n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica trabajando
a un rango de temperatura de 600-700ordmC y una presioacuten de 05-8 bar (3) La reaccioacuten principal
en el primer reactor seriacutea la formacioacuten de buteno a traveacutes de la peacuterdida de hidroacutegeno de n-
butano para dar 1-buteno
C4H10 C4H8 (1-buteno) + H2
Para aportar el calor necesario de reaccioacuten se puede quemar in-situ el hidroacutegeno liberado
antildeadiendo una corriente de oxiacutegeno (aire) Suele ser necesario antildeadir hidroacutegeno adicional
externamente para satisfacer totalmente el calor de reaccioacuten
H2 + O2 H2O
Estas reacciones se catalizan selectivamente por catalizadores especializados a este sistema
Los catalizadores se pueden separar en dos partes fundamentales como soporte y composicioacuten
activa En primer lugar el soporte consiste generalmente en un oacutexido resistente al calor u
oacutexido mixto Los oacutexidos empleados preferentemente son los oacutexidos de aluminio oacutexido de
cromo o dioacutexido de silicio La composicioacuten activa de los catalizadores de deshidrogenacioacuten se
comprende generalmente en uno o maacutes metales del grupo de transicioacuten VII de la tabla
perioacutedica preferentemente platino yo paladio En este caso para este reactor se utiliza el
catalizador maacutes comuacuten que es una mezcla de oacutexido de aluminio y oacutexido de cromo Los
catalizadores de deshidrogenacioacuten en su funcioacuten se degeneran con la necesidad de montar un
reactor en paralelo que permita su regeneracioacuten de forma continua Ademaacutes como se observa
14
en el diagrama de bloques de la figura 10 es necesario la aplicacioacuten a estas zonas de
deshidrogenacioacuten de aire a traveacutes del lecho catalizador
Una vez obtenida la corriente de n-butenos se alimenta al segundo reactor con la diferencia
que necesita la alimentacioacuten de oxiacutegeno para la deshidrogenacioacuten oxidativa del 1-buteno La
adiccioacuten de oxigeno permite mejorar la conversioacuten y la selectividad de la deshidrogenacioacuten de
n-buteno eliminando el hidrogeno (7)
2 C4H8 + O2 2 C4H6 + 2 H2O (Reaccioacuten principal)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O (Reaccioacuten secundaria)
Como al igual que la deshidrogenacioacuten no oxidativa para la deshidrogenacioacuten del 1-buteno se
necesita un catalizador preferentemente un sistema de oacutexido multimetaacutelico Mo-Bi-Fe-O En
esta reaccioacuten aparece la formacioacuten de CO2 como reaccioacuten secundaria indeseada a partir del 1-
buteno Una vez obtenida la corriente final de butadieno n-butano no convertido y los demaacutes
co-productos se llevan a un tren de separacioacuten que consta de una columna de destilacioacuten
extractiva con un solvente En primer lugar la columna de destilacioacuten se separa el resto de
hidrocarburos (n-butanos sin reaccionar) por cabeza mientras que el 13-butadieno sale por
fondos Los fondos presentan gran cantidad de disolvente de ahiacute que utilicen una columna de
recuperacioacuten de disolvente para obtener el butadieno final
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
iii
iv
ldquoTodo de e ha erse tan simple como sea posible pero no maacutes simple
Albert Einstein (1879-1955)
v
vi
Agradecimientos
Despueacutes de cinco antildeos estudiando en esta facultad uno mira atraacutes y se sorprende de todo el
camino recorrido y a la misma vez te das cuenta de lo que cuesta conseguir las metas
personales Aunque haya sido duro tengo que decir que he aprendido tanto profesional como
personalmente gracias a todos los obstaacuteculos que esta carrera me ha puesto en el camino Hoy
puedo decir que me siento orgulloso y satisfecho de todo lo que he hecho porque este es mi
uacuteltimo trabajo que llevareacute a cabo en esta Escuela Teacutecnica y es un punto y final a tanto
esfuerzo
Aunque todo esto no hubiera sido posible sin las personas que siempre han estado ahiacute en las
buenas y en las malas como mis padres mi hermano mis abuelos mi pareja y todos esos
amigos que siempre tienen un momento que regalarte Y no me puedo olvidar de todas esas
personas que han compartido conocido y que me llevo de esta etapa que nunca se iraacuten y
siempre me gustaraacute tenerlos cercas
vii
viii
Resumen
El trabajo que se tiene lugar en este documento se basa en el estudio de viabilidad teacutecnica de
una planta de produccioacuten de butadieno a partir de la deshidrogenacioacuten de n-butanos Se
selecciona la produccioacuten anual de butadieno de una planta referente como criterio de disentildeo
Para llevar a cabo este estudio se emplea un programa de simulacioacuten que en este caso es
Aspen Plus 88
Las conclusiones relevantes de este trabajo es el empleo conjunto de dos rutas principales de
butadieno como es la deshidrogenacioacuten de n-butano y la oxideshidrogenacioacuten e n-butenos en
el proceso Ademaacutes se obtiene el disentildeo de los equipos maacutes representativos del proceso
estudiado asiacute como Columna de destilacioacuten bomba compresor reactor de
oxideshidrogenacioacuten e intercambiador de calor
ix
Abstract
The work takes place in this document is based on technical feasibility study of a production of
butadiene from the dehydrogenation of n-butane The annual production of butadiene is
selected as a reference plant design criteria To carry out this study it is realized with a
simulation program in this case Aspen Plus 88
The main conclusions of this work is the use of two main routes set butadiene as the
dehydrogenation of n-butane and oxidative dehydrogenation of n-butene in this process
Besides it is obtained the design of representative equipment Distillation column pump
compressor oxydehydrogenation reactor and heat exchanger
x
xi
Iacutendice
Agradecimientos ______________________________________________________ vi
Resumen ____________________________________________________________ viii
Abstract _____________________________________________________________ ix
Iacutendice _______________________________________________________________ xi
Iacutendice de Tablas ______________________________________________________ xiv
Iacutendice de Figuras _____________________________________________________ xvi
1 Alcance y objetivo __________________________________________________ 1
2 Introduccioacuten ______________________________________________________ 2
21 Caracteriacutesticas de butadieno ____________________________________________ 3
22 Aplicaciones _________________________________________________________ 4
23 Potencial de exposicioacuten ________________________________________________ 6
24 Procesos comerciales de butadieno ______________________________________ 7
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos _______________________________ 8
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry) _____________ 9
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno ____________________________________ 10
3 Descripcioacuten del proceso ____________________________________________ 12
31 Etapas de produccioacuten ________________________________________________ 15
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano _____________________________________ 15
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos _________________________ 15
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos ___________________________ 17
314 Separacioacuten de butadieno _________________________________________________ 18
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus ________________________________ 20
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten ______________________________ 20
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten _____________________________ 21
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano _________________________________________ 23
421 Modelo de simulacioacuten de reactores _________________________________________ 23
43 Integracioacuten energeacutetica _______________________________________________ 24
44 Equipos reguladores de presioacuten ________________________________________ 25
45 Destino final del isobutano separado ____________________________________ 26
xii
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos _______________________________ 28
51 Fase de tratamiento _________________________________________________ 31
511 Compresor (C-1) ________________________________________________________ 31
512 Columna de destilacioacuten (D-1) ______________________________________________ 36
513 Bomba (B-1)____________________________________________________________ 37
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3) _______________________________________ 39
52 Reactores de deshidrogenacioacuten ________________________________________ 42
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa ___________________________________ 42
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo ____________________________________ 43
53 Intercambiadores de calor ____________________________________________ 44
5 Bibliografiacutea ______________________________________________________ 47
xiii
xiv
Iacutendice de Tablas
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de tiempo de residencia normal de trabajo en reactores de
deshidrogenacioacuten no oxidativa 17
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos 18
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten 18
Tabla 4 Disolventes usaos industrialmente 19
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso 30
Tabla 6 Especificaciones de C-1 31
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1) 36
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1 37
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1 37
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2) 39
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2 40
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3) 40
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3 40
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten 41
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados 42
Tabla 16 Temperaturas de las corrientes en INT-1 44
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1 44
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2 45
Tabla 19 Temperaturas de las corrientes en INT-3 45
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4 45
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4 46
xv
xvi
Iacutendice de Figuras
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno 2
Figura 2 Propiedades de butadieno 3
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 4
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU
2000 (a la derecha) 5
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno 6
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas 8
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking 9
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno 10
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos 11
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno 12
Figura 11 Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten 15
Figura 12 Diagrama de proceso de la planta de butadieno 28
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados 34
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores 35
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso 36
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba 38
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH 39
xvii
1
1 Alcance y objetivo
En este proyecto se desarrolla la ingenieriacutea baacutesica de una planta de produccioacuten de butadieno a
partir de la deshidrogenacioacuten de n-butanos
El trabajo se centra en el estudio en profundidad del proceso de obtencioacuten de butadieno a
traveacutes de una de las rutas de proceso maacutes empleados en la actualidad deshidrogenacioacuten y
oxideshidrogenacioacuten Se marca como objetivo conocer primeramente las caracteriacutesticas del
butadieno y todas sus formas de produccioacuten para mostrar la utilidad que tiene esta ruta
actualmente A la misma vez se justifica la eleccioacuten del proceso elegido comparando las
distintas caracteriacutesticas de cada uno
En esta descripcioacuten del proceso se incluye un anaacutelisis global de cada una de las etapas para a
continuacioacuten especificar cada una de ellas Esta informacioacuten se utiliza para poder completar el
diagrama de proceso y constituir la simulacioacuten de una planta de butadieno Este trabajo
permite estudiar e investigar un proceso poco convencional y poner en praacutectica los
conocimientos estudiados Se lleva a cabo con el programa Aspen Plus donde se intenta
representar el diagrama tendiendo a todas las especificaciones impuestas y conseguir una
visioacuten real numeacuterica del proceso estudiado En este programa se pondraacute en praacutectica el uso de
balances de materia y energiacutea necesarios para comprender los resultados obtenidos Por
uacuteltimo se aprovechan los caacutelculos realizados en el simulador para disentildear los equipos maacutes
representativos en el sistema Para ello antes hay que disentildear un diagrama de proceso con las
directrices estudiadas tanto en la informacioacuten buscada como los conceptos adquiridos
Como criterio de disentildeo se fija una capacidad de produccioacuten acorde con una planta de
butadieno que utiliza como materia prima el n-butano ademaacutes de un disentildeo que represente
los equipos industriales necesarios comuacutenmente en este tipo de proceso Aunque se trata de
una ingenieriacutea baacutesica se decide durante la realizacioacuten del mismo no llevar a cabo el balance
econoacutemico de todo el proyecto ya que se considera prescindible debido a sus numerosas
praacutecticas durante la carrera
2
2 Introduccioacuten
El butadieno (se habla de 13 butadieno ya que conforma el hidrocarburo C4 insaturado maacutes
importante econoacutemicamente) es un producto importante de la industria petroquiacutemica Su
sencilla estructura quiacutemica (figura 1) combinada con su bajo peso molecular y alta reactividad
quiacutemica hace que sea un elemento muy uacutetil en la siacutentesis de otros materiales [1]
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno
Antes del desarrollo de la industria de butadieno el butadieno aparece en 1863 cuando el
quiacutemico franceacutes E Caventou aisloacute un hidrocarburo hasta ahora desconocido con la piroacutelisis de
alcohol amiacutelico Este hidrocarburo se identificoacute como butadieno en 1886 despueacutes de que
Henry Edward Amstronglo lo aislara de unos de los productos de la piroacutelisis de petroacuteleo En
1910 el quiacutemico ruso Sergei Lebedev polimerizoacute el butadieno obteniendo un material con
propiedades similares al caucho Este poliacutemero no fue lo suficiente adecuado para reemplazar
el caucho natural en muchas aplicaciones sobre todo en los neumaacuteticos del automoacutevil A partir
de ahiacute la industria de butadieno se centroacute en las necesidades de la Segunda Guerra Mundial
ya que las naciones combatientes como Alemania y Estados Unidos apostaron por disminuir la
dependencia de las industrias del caucho controladas por el Gobierno Britaacutenico [1]
Hasta la actualidad la produccioacuten mundial de butadieno ha estado ligada a la demanda de
manufacturacioacuten de neumaacuteticos Como estudios de 2015 reflejan por primera vez desde 2000
la produccioacuten europea de caucho sinteacutetico a partir de butadieno superoacute la demanda como
resultado de la contraccioacuten de la industria automoviliacutestica Este mismo estudio cifra que la
demanda europea fue de 2459778 toneladas mientras que la produccioacuten se situoacute en
2246137 toneladas Sin embargo observando el futuro de este producto se espera invertir la
situacioacuten superando la produccioacuten a la demanda por 162953 toneladas Ante esta situacioacuten las
3
empresas se mueven hacia un mercado de exportacioacuten con el objetivo de conseguir la
produccioacuten deseada Alguacuten ejemplo apreciable es la expansioacuten de la empresa alemana
LyondellBsell con su unidad de extraccioacuten en Wesseling Alemania y los planes de Versalis para
construir una nueva unidad de 70000 toneladasantildeo en su planta de Dunkerque Francia [2]
21 Caracteriacutesticas de butadieno
Este compuesto presenta propiedades quiacutemicas y fiacutesicas como gas inflamable incoloro con un
olor suave y aromaacutetico ademaacutes de ser altamente reactivo Es soluble en alcohol y eacuteter
insoluble en agua y se polimeriza faacutecilmente (en particular si el oxiacutegeno estaacute presente) Debido
a sus dobles enlaces conjugados pueden tomar parte en numerosas reacciones que incluyen
12- y 14- adicionales con siacute mismo (polimerizacioacuten) y de otros reactivos la dimerizacioacuten lineal
y de trimerizacioacuten y formacioacuten de anillo En la figura 2 siguiente muestra una tabla con las
propiedades principales de este compuesto
Figura 2 Propiedades de butadieno [3]
El 13-butadieno el dieno conjugado maacutes simple ha sido sometido a numerosos estudios para
comprender todas sus propiedades fiacutesicas y quiacutemicas La unioacuten de los dobles enlaces hace que
sea 15kJmol maacutes estable termodinaacutemicamente que una moleacutecula con dos enlaces simples La
4
longitud del doble enlace en 13-butadieno es 0134 nm y los enlaces simples 0148 Ya que los
enlaces simples de carbono-carbono son normalmente de 0154 nm esto indica el grado de
doble enlace en la mitad de enlace simple [4]
22 Aplicaciones
La produccioacuten de butadieno mundial estaacute dominada por las fracciones de craqueo por vapor
de C4 convirtieacutendose en la ruta ideal para maacutes del 95 de la produccioacuten de butadieno En la
Figura 3 se puede distinguir la situacioacuten mundial de butadieno en 1998 y destacar por
ejemplo que en el caso de Europa Occidental la materia especiacutefica de craqueo se centra en la
nafta El motivo de este dominio son los altos rendimientos conseguidos a traveacutes de este
medio sin embargo en la actualidad su aplicacioacuten ha disminuido ligeramente debido al
desarrollo de nuevas teacutecnicas de deshidrogenacioacuten oxidativa como se veraacute en los apartados
siguientes
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 [1]
El butadieno se usa principalmente como monoacutemero en la fabricacioacuten de cauchos o
elastoacutemeros sinteacuteticos como se aprecia en la Figura 4 suponiendo aproximadamente el 70
del uso de butadieno Entre los poliacutemeros destacados de esta aplicacioacuten son Estireno-
butadieno (SBR) caucho de polibutadieno (PBR) policloropreno (Neopreno) y caucho de
nitrilo (NBR) Ademaacutes como monoacutemero es importante como intermediario en la produccioacuten de
algunos productos quiacutemicos (gracias a su alta reactividad quiacutemica) Los cauchos anteriormente
mencionados se distinguiriacutean de la siguiente forma [4]
Caucho estireno-butadieno (SBR) se obtiene por la polimerizacioacuten de estireno y
butadieno constituyendo la mayor aplicacioacuten de butadieno El uso principal de SBR
5
estaacute en neumaacuteticos y en menor cantidad en adhesivos y selladores suelas de zapatos
revestimientos de alambre y cable
Polibutadieno (PB) producido por la polimerizacioacuten de butadieno es el segundo
monoacutemero maacutes usado Ademaacutes de coacutemo materia prima para neumaacuteticos el PB se
utiliza como producto intermedio en la produccioacuten de acrilonitrilo-butadieno-estireno
(ABS) y modificadores de impacto
Laacutetex Estireno-butadieno (SBL) se trata de una dispersioacuten acuosa estable que contiene
discretas partiacuteculas de poliacutemero de aproximadamente 005 a 5 microacutemetros de
diaacutemetro Entre sus aplicaciones consta la goma espuma (cojines esponjas) adhesivos
(pavimentos azulejos) selladores y revestimientos de papel
Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno (ABS) resinas ABS son mezclas de dos fases Se pueden
producir por polimerizacioacuten donde los homopoliacutemeros de polibutadieno se injertan en
un copoliacutemero de estierno-acronitrilo Estas resinas posee una amplia gama de
aplicaciones que incluyen de piezas de automoacuteviles teleacutefonos maacutequinas de oficina tales
como ordenadores y electrodomeacutesticos
Caucho de nitrilo (NBR) este caucho es producido en menor cantidad que los anteriores
y se obtiene a partir de la copolimerizacioacuten de acrilonitrilo y butadieno Este material se
utiliza en productos como mangueras tuberiacuteas de combustible adhesivos guantes y
calzado
Copoliacutemero de bloques de Estireno-butadieno (SBS Y SEBS) sus aplicaciones son incluidas
en aditivos para aceites lubricantes adhesivos aplicaciones de automocioacuten alimentos y
otro tipo de envases dispositivos meacutedicos
Metacrilato de metilo-butadieno-estireno (MMBS) su produccioacuten es maacutes escasa ya que
se dedica como modificador de impacto en piezas de automoacuteviles botellas y envases de
alimentos
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU 2000 (a la derecha) [45]
6
Ademaacutes de los poliacutemeros como se mencionoacute anteriormente el butadieno constituye distintos
intermediarios quiacutemicos En la figura 5 puede apreciarse los tipos de poliacutemeros enumerados y
los compuestos quiacutemicos principales como adiponitrilo cloropropano y sus posteriores
aplicaciones
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno [4]
23 Potencial de exposicioacuten
El butadieno forma parte en la produccioacuten de productos industriales y de consumo sin
embargo sobre la base de estos usos los individuos pueden estar expuestos de diferentes
formas [5]
Exposicioacuten Diaria es la exposicioacuten que afecta a los individuos que trabajan en
instalaciones de butadieno y plantas de productos que emplean este compuesto En
estas instalaciones se pueden enfrentar a las exposiciones maacutes comunes de butadieno
por fallo mecaacutenico de un sello de la bomba el paquete de la vaacutelvula conexioacuten de la
tuberiacutea o junta Sin embargo los responsables emplean sistemas de seguridad
restrictivos regulados y controlados por permisos y normas
7
Exposicioacuten del consumidor de producto conteniente en butadieno los consumidores
estaacuten expuestos a niveles bajos o no detectables de butadieno (butadieno no se vende
para uso de consumidores) a traveacutes de la ingesta de alimentos que estaban
almacenados en envases contenedores de butadieno
Emisiones al medio ambiente butadieno se libera en el medio ambiente tanto de
fuentes industriales y no industriales Ante cualquier emisioacuten el sistema de control se
centra en evitar cualquier probabilidad de incendio y controlar los derrames
reduciendo la contaminacioacuten de aire suelo y aguas superficiales o subterraacuteneas Su
alta presioacuten de vapor y la insolubilidad de agua hace que se acumule en el aire creando
un riesgo en la inhalacioacuten (de ahiacute es necesario proteccioacuten de las viacuteas respiratoria ante
cualquier derrame o fuga)
Riesgo para la salud
Contacto con los ojos butadieno liacutequido puede causar la congelacioacuten si entra en
contacto con los ojos y se evapora raacutepidamente Los vapores de butadieno pueden
causar irritacioacuten en los ojos causando incomodidad y enrojecimiento
Contacto con la piel butadieno no es irritante para la piel aunque el butadieno liacutequido
puede causar congelacioacuten si entra en contacto con la piel
Ingestioacuten es poco probable ya que el material es un gas a temperatura y presioacuten
ambiente Aunque el contacto con butadieno liacutequido podriacutea dar lugar a la congelacioacuten
de los labios
Inhalacioacuten zonas cerradas o poco ventilados los vapores de butadieno se pueden
acumular y causar inconsciencia y la muerte Las exposiciones excesivas pueden causar
irritacioacuten en el sistema respiratorio superior (nariz y garganta) o efectos en el sistema
nervioso central Los siacutentomas pueden incluir efectos anesteacutesicos o narcoacuteticos como
mareo o somnolencia
Exposicioacuten repetida exposiciones excesivas repetidas se han reportado efectos en los
rintildeones el hiacutegado los ovarios las viacuteas respiratorias y los testiacuteculos La exposicioacuten
excesiva puede causar dantildeo a los oacuterganos hematopoyeacuteticos (medula oacutesea y bazo)
Carcinogenecidad el butadieno aparece como un carcinoacutegeno humano por la Agencia
Internacional para la Investigacioacuten sobre el Caacutencer
24 Procesos comerciales de butadieno
La produccioacuten de butadieno desde su descubrimiento a traveacutes de la piroacutelisis de materiales
orgaacutenicos ha sido desarrollada a la misma vez que la industria petroquiacutemica En primer lugar
8
el butadieno era generado a partir del acetileno asiacute como del etanol No obstante la
importancia de estos procesos ha disminuido debido a la creciente produccioacuten de butadieno a
partir del petroacuteleo Se han desarrollado tres sistemas de produccioacuten a traveacutes de esta fuente
[1 24]
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
Es el camino maacutes utilizado para la produccioacuten de butadieno en paiacuteses como Estados Unidos
Oeste de Europa y Japoacuten representando aproximadamente el 91 del suministro mundial de
butadieno En este caso no existe una materia prima principal sino que tanto etano propano
butano nafta y gasoacuteleo se alimentan a una pirolisis (craqueo al vapor) de horno donde
combinado con vapor de agua alcanza temperaturas de entre aproximadamente 790-830ordmC
En este rango de temperatura los enlaces C-C y C-H se rompen produciendo hidrogeno
etileno propileno butadieno benceno tolueno y otros co-productos olefiacutenicos importantes
Despueacutes de la pirolisis se enfriacutea el resto de la planta separa los productos deseados en
distintos cortes de acuerdo a las especificaciones impuestas a cada uno de ellos A
continuacioacuten se aprecia en la Figura 6 un ejemplo de los distintos rendimientos de butadieno
respecto a distintas materias primas
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas [3]
La corriente de producto de butadieno crudo final alcanza concentraciones de hasta
aproximadamente un 75 en peso (esta concentracioacuten puede variar en funcioacuten de reciclo en el
sistema)
Como se puede distinguir en la liacutenea roja de la Figura 7 el butadieno experimenta una serie de
tratamientos posterior a su piroacutelisis como enfriamiento compresioacuten lavado secado y
finalmente un proceso de extraccioacuten para obtener la corriente final de butadieno
9
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking [3]
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
Esta deshidrogenacioacuten constituye parte principal del proceso y se constituye en dos etapas de
trabajo primero convirtiendo n-butano a n-butenos y luego a butadieno (etapas
endoteacutermicas) Estas zonas presentan ademaacutes de los reactores principales (trabajando
aproximadamente en rangos de P absoluta de 12-15 cmHg y T de 600-680ordmC) dos reactores
instalados de forma continua Se pueden apreciar en la Figura 8 el segundo reactor se
utilizariacutea para la regeneracioacuten de catalizador mientras que el tercer reactor es el encargado de
purgar antes de que empiece la regeneracioacuten (de esta manera se comporta como un sistema
continua de produccioacuten)
10
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno [3]
El tiempo de residencia de la alimentacioacuten en el reactor es de aproximadamente de 5 a 15
minutos Ademaacutes a la misma vez que va disminuyendo la temperatura en el lecho de
catalizador se va formando una capa de coque en el lecho Para hacer frente al problema del
coque este proceso posee un sistema de regeneracioacuten que emplea aire precalentado para
quemar esta deposicioacuten (a la misma vez aporta el calor necesario para alcanzar la temperatura
deseada) El efluente del reactor se somete a una serie de tratamientos primer lugar la
corriente se enfriacutea en una torre de enfriamiento posteriormente se comprime antes de la
alimentacioacuten al sistema de absorcioacutenstripper En este complejo de absorcioacuten se consigue un
concentrado de C4 para el sistema final de extraccioacuten de butadieno obteniendo una corriente
de producto de butadieno de gran pureza Esta ruta de proceso se trabaja a un rango de
conversioacuten de aproximadamente un 30-40 y un rendimiento total de 60-65
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
Es un sistema que ha reemplazado a muchos procesos antiguos de produccioacuten de butadieno
debido al desarrollo de varios procesos y sistemas de catalizadores de oxideshidrogenacioacuten de
cualquier n-butano o de n-buteno El 1-buteno es mucho maacutes reactivo y requiere condiciones
de operacioacuten menos severas que la de n-butano siendo el empleo de n-butano menos
eficiente Como recomendaciones en la oxideshidrogenacioacuten una mezcla de n-butenos aire y
vapor se hace pasar sobre un lecho de catalizador a baja presioacuten y aproximadamente de 500-
600ordmC El calor de la reaccioacuten exoteacutermica puede ser eliminado indirectamente mediante la
circulacioacuten de sal fundida o por un meacutetodo alternativo que consiste en antildeadir vapor de agua a
la alimentacioacuten (actuando como disipador de calor) En el proceso Oxo-D como se observa en
11
la Figura 9 una mezcla de aire vapor y 1-buteno se hace pasar sobre el catalizador de
deshidrogenacioacuten en un proceso continuo
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos [3]
Como parte final del proceso el efluente del reactor se enfriacutea y como en el sistema anterior
los componentes C4 se recuperan en un absorbedordesgasificadorstripper El aceite como
disolvente fluye desde los fondos del stripper y regresa al absorbedor aunque antes pasa
traveacutes de una zona de purificacioacuten de disolvente Para obtener la corriente de butadieno final
es necesario eliminar la cantidad de disolvente (aceite) por medio de un stripper y un sistema
de purificacioacuten para obtener la corriente final El rango de rendimiento y selectividad puede
variar entre 70-90 lo que hace innecesario recuperar o reciclar material de alimentacioacuten (la
formacioacuten de C02 como reaccioacuten secundaria puede producir la peacuterdida de rendimiento del
proceso)
12
3 Descripcioacuten del proceso
En el estudio de este proyecto y tras analizar cada una de las opciones de trabajo para la
deshidrogenacioacuten de n-butanos se ha decidido seguir un sistema de deshidrogenacioacuten en dos
etapas [13 67]
1) Deshidrogenacioacuten no oxidativa de los n-butanos para obtener n-butenos
2) Deshidrogenacioacuten oxidativa (oxideshidrogenacioacuten) de los n-butenos para producir
butadieno
Como ya se ha dicho con anterioridad existen tres caminos de produccioacuten de butadieno sin
embargo se considera principalmente debido a la necesidad de eficiencia implantar dos fases
distintas de deshidrogenacioacuten La primera fase que corresponde al proceso Catadiene que
consiste en una deshidrogenacioacuten no oxidativa del n-butano mientras que se complementa
con una zona de oxideshidrogenacioacuten de los n-butenos Se ha decidido tomar este sistema
debido a las siguientes razones
o Mayor conversioacuten y selectividad global gracias a la oxideshidrogenacioacuten el aporte de
oxiacutegeno permite eliminar parte de hidrogeno en forma de agua (rendimiento aprox de
65 y una selectividad de 93)
o Oxiacutegeno junto al vapor alimentado disminuye la coquizacioacuten del catalizador
o Bajo consumo de vapor respecto a la deshidrogenacioacuten no oxidativa
o Adicioacuten de oxiacutegeno en la deshidrogenacioacuten de n-butanos genera una gran cantidad de
productos indeseados debido a que a las altas temperaturas requeridas favorece la
reaccioacuten del oxiacutegeno
o Butenos son muchos maacutes reactivos de ahiacute que necesiten condiciones de operacioacuten
menos severas por lo que no es praacutectico la oxideshidrogenacioacuten del n-butano
Este sistema de deshidrogenacioacuten se dividiraacute en tres fases de procesamiento como se observa
en el diagrama de bloques de la Figura 10
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno (6)
13
En primer lugar este medio de produccioacuten parte de una corriente de n-butanos isobutano
propano y un porcentaje de hidrocarburos (C5) la cual necesita ser tratada para obtener una
corriente pura de n-butanos Este sistema presenta un tren de separacioacuten en primer lugar una
columna de destilacioacuten que lo separe en una corriente de n-butano y posteriormente
aprovechar la corriente de isobutanos con un reactor de isomerizacioacuten para generar maacutes n-
butano o como producto final para otros procesos Maacutes adelante en el proyecto se decidiraacute
que se haraacute con el isobutano
Una vez obtenida la corriente de n-butano se alimenta a la zona de deshidrogenacioacuten
encargada de deshidrogenizar para conseguir el butadieno Como ya se ha enunciado se
instalaraacuten dos zonas de deshidrogenacioacuten con condiciones de operacioacuten diferentes La
deshidrogenacioacuten no oxidativa de n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica trabajando
a un rango de temperatura de 600-700ordmC y una presioacuten de 05-8 bar (3) La reaccioacuten principal
en el primer reactor seriacutea la formacioacuten de buteno a traveacutes de la peacuterdida de hidroacutegeno de n-
butano para dar 1-buteno
C4H10 C4H8 (1-buteno) + H2
Para aportar el calor necesario de reaccioacuten se puede quemar in-situ el hidroacutegeno liberado
antildeadiendo una corriente de oxiacutegeno (aire) Suele ser necesario antildeadir hidroacutegeno adicional
externamente para satisfacer totalmente el calor de reaccioacuten
H2 + O2 H2O
Estas reacciones se catalizan selectivamente por catalizadores especializados a este sistema
Los catalizadores se pueden separar en dos partes fundamentales como soporte y composicioacuten
activa En primer lugar el soporte consiste generalmente en un oacutexido resistente al calor u
oacutexido mixto Los oacutexidos empleados preferentemente son los oacutexidos de aluminio oacutexido de
cromo o dioacutexido de silicio La composicioacuten activa de los catalizadores de deshidrogenacioacuten se
comprende generalmente en uno o maacutes metales del grupo de transicioacuten VII de la tabla
perioacutedica preferentemente platino yo paladio En este caso para este reactor se utiliza el
catalizador maacutes comuacuten que es una mezcla de oacutexido de aluminio y oacutexido de cromo Los
catalizadores de deshidrogenacioacuten en su funcioacuten se degeneran con la necesidad de montar un
reactor en paralelo que permita su regeneracioacuten de forma continua Ademaacutes como se observa
14
en el diagrama de bloques de la figura 10 es necesario la aplicacioacuten a estas zonas de
deshidrogenacioacuten de aire a traveacutes del lecho catalizador
Una vez obtenida la corriente de n-butenos se alimenta al segundo reactor con la diferencia
que necesita la alimentacioacuten de oxiacutegeno para la deshidrogenacioacuten oxidativa del 1-buteno La
adiccioacuten de oxigeno permite mejorar la conversioacuten y la selectividad de la deshidrogenacioacuten de
n-buteno eliminando el hidrogeno (7)
2 C4H8 + O2 2 C4H6 + 2 H2O (Reaccioacuten principal)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O (Reaccioacuten secundaria)
Como al igual que la deshidrogenacioacuten no oxidativa para la deshidrogenacioacuten del 1-buteno se
necesita un catalizador preferentemente un sistema de oacutexido multimetaacutelico Mo-Bi-Fe-O En
esta reaccioacuten aparece la formacioacuten de CO2 como reaccioacuten secundaria indeseada a partir del 1-
buteno Una vez obtenida la corriente final de butadieno n-butano no convertido y los demaacutes
co-productos se llevan a un tren de separacioacuten que consta de una columna de destilacioacuten
extractiva con un solvente En primer lugar la columna de destilacioacuten se separa el resto de
hidrocarburos (n-butanos sin reaccionar) por cabeza mientras que el 13-butadieno sale por
fondos Los fondos presentan gran cantidad de disolvente de ahiacute que utilicen una columna de
recuperacioacuten de disolvente para obtener el butadieno final
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
iv
ldquoTodo de e ha erse tan simple como sea posible pero no maacutes simple
Albert Einstein (1879-1955)
v
vi
Agradecimientos
Despueacutes de cinco antildeos estudiando en esta facultad uno mira atraacutes y se sorprende de todo el
camino recorrido y a la misma vez te das cuenta de lo que cuesta conseguir las metas
personales Aunque haya sido duro tengo que decir que he aprendido tanto profesional como
personalmente gracias a todos los obstaacuteculos que esta carrera me ha puesto en el camino Hoy
puedo decir que me siento orgulloso y satisfecho de todo lo que he hecho porque este es mi
uacuteltimo trabajo que llevareacute a cabo en esta Escuela Teacutecnica y es un punto y final a tanto
esfuerzo
Aunque todo esto no hubiera sido posible sin las personas que siempre han estado ahiacute en las
buenas y en las malas como mis padres mi hermano mis abuelos mi pareja y todos esos
amigos que siempre tienen un momento que regalarte Y no me puedo olvidar de todas esas
personas que han compartido conocido y que me llevo de esta etapa que nunca se iraacuten y
siempre me gustaraacute tenerlos cercas
vii
viii
Resumen
El trabajo que se tiene lugar en este documento se basa en el estudio de viabilidad teacutecnica de
una planta de produccioacuten de butadieno a partir de la deshidrogenacioacuten de n-butanos Se
selecciona la produccioacuten anual de butadieno de una planta referente como criterio de disentildeo
Para llevar a cabo este estudio se emplea un programa de simulacioacuten que en este caso es
Aspen Plus 88
Las conclusiones relevantes de este trabajo es el empleo conjunto de dos rutas principales de
butadieno como es la deshidrogenacioacuten de n-butano y la oxideshidrogenacioacuten e n-butenos en
el proceso Ademaacutes se obtiene el disentildeo de los equipos maacutes representativos del proceso
estudiado asiacute como Columna de destilacioacuten bomba compresor reactor de
oxideshidrogenacioacuten e intercambiador de calor
ix
Abstract
The work takes place in this document is based on technical feasibility study of a production of
butadiene from the dehydrogenation of n-butane The annual production of butadiene is
selected as a reference plant design criteria To carry out this study it is realized with a
simulation program in this case Aspen Plus 88
The main conclusions of this work is the use of two main routes set butadiene as the
dehydrogenation of n-butane and oxidative dehydrogenation of n-butene in this process
Besides it is obtained the design of representative equipment Distillation column pump
compressor oxydehydrogenation reactor and heat exchanger
x
xi
Iacutendice
Agradecimientos ______________________________________________________ vi
Resumen ____________________________________________________________ viii
Abstract _____________________________________________________________ ix
Iacutendice _______________________________________________________________ xi
Iacutendice de Tablas ______________________________________________________ xiv
Iacutendice de Figuras _____________________________________________________ xvi
1 Alcance y objetivo __________________________________________________ 1
2 Introduccioacuten ______________________________________________________ 2
21 Caracteriacutesticas de butadieno ____________________________________________ 3
22 Aplicaciones _________________________________________________________ 4
23 Potencial de exposicioacuten ________________________________________________ 6
24 Procesos comerciales de butadieno ______________________________________ 7
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos _______________________________ 8
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry) _____________ 9
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno ____________________________________ 10
3 Descripcioacuten del proceso ____________________________________________ 12
31 Etapas de produccioacuten ________________________________________________ 15
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano _____________________________________ 15
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos _________________________ 15
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos ___________________________ 17
314 Separacioacuten de butadieno _________________________________________________ 18
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus ________________________________ 20
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten ______________________________ 20
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten _____________________________ 21
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano _________________________________________ 23
421 Modelo de simulacioacuten de reactores _________________________________________ 23
43 Integracioacuten energeacutetica _______________________________________________ 24
44 Equipos reguladores de presioacuten ________________________________________ 25
45 Destino final del isobutano separado ____________________________________ 26
xii
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos _______________________________ 28
51 Fase de tratamiento _________________________________________________ 31
511 Compresor (C-1) ________________________________________________________ 31
512 Columna de destilacioacuten (D-1) ______________________________________________ 36
513 Bomba (B-1)____________________________________________________________ 37
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3) _______________________________________ 39
52 Reactores de deshidrogenacioacuten ________________________________________ 42
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa ___________________________________ 42
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo ____________________________________ 43
53 Intercambiadores de calor ____________________________________________ 44
5 Bibliografiacutea ______________________________________________________ 47
xiii
xiv
Iacutendice de Tablas
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de tiempo de residencia normal de trabajo en reactores de
deshidrogenacioacuten no oxidativa 17
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos 18
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten 18
Tabla 4 Disolventes usaos industrialmente 19
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso 30
Tabla 6 Especificaciones de C-1 31
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1) 36
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1 37
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1 37
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2) 39
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2 40
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3) 40
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3 40
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten 41
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados 42
Tabla 16 Temperaturas de las corrientes en INT-1 44
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1 44
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2 45
Tabla 19 Temperaturas de las corrientes en INT-3 45
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4 45
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4 46
xv
xvi
Iacutendice de Figuras
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno 2
Figura 2 Propiedades de butadieno 3
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 4
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU
2000 (a la derecha) 5
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno 6
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas 8
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking 9
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno 10
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos 11
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno 12
Figura 11 Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten 15
Figura 12 Diagrama de proceso de la planta de butadieno 28
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados 34
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores 35
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso 36
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba 38
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH 39
xvii
1
1 Alcance y objetivo
En este proyecto se desarrolla la ingenieriacutea baacutesica de una planta de produccioacuten de butadieno a
partir de la deshidrogenacioacuten de n-butanos
El trabajo se centra en el estudio en profundidad del proceso de obtencioacuten de butadieno a
traveacutes de una de las rutas de proceso maacutes empleados en la actualidad deshidrogenacioacuten y
oxideshidrogenacioacuten Se marca como objetivo conocer primeramente las caracteriacutesticas del
butadieno y todas sus formas de produccioacuten para mostrar la utilidad que tiene esta ruta
actualmente A la misma vez se justifica la eleccioacuten del proceso elegido comparando las
distintas caracteriacutesticas de cada uno
En esta descripcioacuten del proceso se incluye un anaacutelisis global de cada una de las etapas para a
continuacioacuten especificar cada una de ellas Esta informacioacuten se utiliza para poder completar el
diagrama de proceso y constituir la simulacioacuten de una planta de butadieno Este trabajo
permite estudiar e investigar un proceso poco convencional y poner en praacutectica los
conocimientos estudiados Se lleva a cabo con el programa Aspen Plus donde se intenta
representar el diagrama tendiendo a todas las especificaciones impuestas y conseguir una
visioacuten real numeacuterica del proceso estudiado En este programa se pondraacute en praacutectica el uso de
balances de materia y energiacutea necesarios para comprender los resultados obtenidos Por
uacuteltimo se aprovechan los caacutelculos realizados en el simulador para disentildear los equipos maacutes
representativos en el sistema Para ello antes hay que disentildear un diagrama de proceso con las
directrices estudiadas tanto en la informacioacuten buscada como los conceptos adquiridos
Como criterio de disentildeo se fija una capacidad de produccioacuten acorde con una planta de
butadieno que utiliza como materia prima el n-butano ademaacutes de un disentildeo que represente
los equipos industriales necesarios comuacutenmente en este tipo de proceso Aunque se trata de
una ingenieriacutea baacutesica se decide durante la realizacioacuten del mismo no llevar a cabo el balance
econoacutemico de todo el proyecto ya que se considera prescindible debido a sus numerosas
praacutecticas durante la carrera
2
2 Introduccioacuten
El butadieno (se habla de 13 butadieno ya que conforma el hidrocarburo C4 insaturado maacutes
importante econoacutemicamente) es un producto importante de la industria petroquiacutemica Su
sencilla estructura quiacutemica (figura 1) combinada con su bajo peso molecular y alta reactividad
quiacutemica hace que sea un elemento muy uacutetil en la siacutentesis de otros materiales [1]
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno
Antes del desarrollo de la industria de butadieno el butadieno aparece en 1863 cuando el
quiacutemico franceacutes E Caventou aisloacute un hidrocarburo hasta ahora desconocido con la piroacutelisis de
alcohol amiacutelico Este hidrocarburo se identificoacute como butadieno en 1886 despueacutes de que
Henry Edward Amstronglo lo aislara de unos de los productos de la piroacutelisis de petroacuteleo En
1910 el quiacutemico ruso Sergei Lebedev polimerizoacute el butadieno obteniendo un material con
propiedades similares al caucho Este poliacutemero no fue lo suficiente adecuado para reemplazar
el caucho natural en muchas aplicaciones sobre todo en los neumaacuteticos del automoacutevil A partir
de ahiacute la industria de butadieno se centroacute en las necesidades de la Segunda Guerra Mundial
ya que las naciones combatientes como Alemania y Estados Unidos apostaron por disminuir la
dependencia de las industrias del caucho controladas por el Gobierno Britaacutenico [1]
Hasta la actualidad la produccioacuten mundial de butadieno ha estado ligada a la demanda de
manufacturacioacuten de neumaacuteticos Como estudios de 2015 reflejan por primera vez desde 2000
la produccioacuten europea de caucho sinteacutetico a partir de butadieno superoacute la demanda como
resultado de la contraccioacuten de la industria automoviliacutestica Este mismo estudio cifra que la
demanda europea fue de 2459778 toneladas mientras que la produccioacuten se situoacute en
2246137 toneladas Sin embargo observando el futuro de este producto se espera invertir la
situacioacuten superando la produccioacuten a la demanda por 162953 toneladas Ante esta situacioacuten las
3
empresas se mueven hacia un mercado de exportacioacuten con el objetivo de conseguir la
produccioacuten deseada Alguacuten ejemplo apreciable es la expansioacuten de la empresa alemana
LyondellBsell con su unidad de extraccioacuten en Wesseling Alemania y los planes de Versalis para
construir una nueva unidad de 70000 toneladasantildeo en su planta de Dunkerque Francia [2]
21 Caracteriacutesticas de butadieno
Este compuesto presenta propiedades quiacutemicas y fiacutesicas como gas inflamable incoloro con un
olor suave y aromaacutetico ademaacutes de ser altamente reactivo Es soluble en alcohol y eacuteter
insoluble en agua y se polimeriza faacutecilmente (en particular si el oxiacutegeno estaacute presente) Debido
a sus dobles enlaces conjugados pueden tomar parte en numerosas reacciones que incluyen
12- y 14- adicionales con siacute mismo (polimerizacioacuten) y de otros reactivos la dimerizacioacuten lineal
y de trimerizacioacuten y formacioacuten de anillo En la figura 2 siguiente muestra una tabla con las
propiedades principales de este compuesto
Figura 2 Propiedades de butadieno [3]
El 13-butadieno el dieno conjugado maacutes simple ha sido sometido a numerosos estudios para
comprender todas sus propiedades fiacutesicas y quiacutemicas La unioacuten de los dobles enlaces hace que
sea 15kJmol maacutes estable termodinaacutemicamente que una moleacutecula con dos enlaces simples La
4
longitud del doble enlace en 13-butadieno es 0134 nm y los enlaces simples 0148 Ya que los
enlaces simples de carbono-carbono son normalmente de 0154 nm esto indica el grado de
doble enlace en la mitad de enlace simple [4]
22 Aplicaciones
La produccioacuten de butadieno mundial estaacute dominada por las fracciones de craqueo por vapor
de C4 convirtieacutendose en la ruta ideal para maacutes del 95 de la produccioacuten de butadieno En la
Figura 3 se puede distinguir la situacioacuten mundial de butadieno en 1998 y destacar por
ejemplo que en el caso de Europa Occidental la materia especiacutefica de craqueo se centra en la
nafta El motivo de este dominio son los altos rendimientos conseguidos a traveacutes de este
medio sin embargo en la actualidad su aplicacioacuten ha disminuido ligeramente debido al
desarrollo de nuevas teacutecnicas de deshidrogenacioacuten oxidativa como se veraacute en los apartados
siguientes
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 [1]
El butadieno se usa principalmente como monoacutemero en la fabricacioacuten de cauchos o
elastoacutemeros sinteacuteticos como se aprecia en la Figura 4 suponiendo aproximadamente el 70
del uso de butadieno Entre los poliacutemeros destacados de esta aplicacioacuten son Estireno-
butadieno (SBR) caucho de polibutadieno (PBR) policloropreno (Neopreno) y caucho de
nitrilo (NBR) Ademaacutes como monoacutemero es importante como intermediario en la produccioacuten de
algunos productos quiacutemicos (gracias a su alta reactividad quiacutemica) Los cauchos anteriormente
mencionados se distinguiriacutean de la siguiente forma [4]
Caucho estireno-butadieno (SBR) se obtiene por la polimerizacioacuten de estireno y
butadieno constituyendo la mayor aplicacioacuten de butadieno El uso principal de SBR
5
estaacute en neumaacuteticos y en menor cantidad en adhesivos y selladores suelas de zapatos
revestimientos de alambre y cable
Polibutadieno (PB) producido por la polimerizacioacuten de butadieno es el segundo
monoacutemero maacutes usado Ademaacutes de coacutemo materia prima para neumaacuteticos el PB se
utiliza como producto intermedio en la produccioacuten de acrilonitrilo-butadieno-estireno
(ABS) y modificadores de impacto
Laacutetex Estireno-butadieno (SBL) se trata de una dispersioacuten acuosa estable que contiene
discretas partiacuteculas de poliacutemero de aproximadamente 005 a 5 microacutemetros de
diaacutemetro Entre sus aplicaciones consta la goma espuma (cojines esponjas) adhesivos
(pavimentos azulejos) selladores y revestimientos de papel
Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno (ABS) resinas ABS son mezclas de dos fases Se pueden
producir por polimerizacioacuten donde los homopoliacutemeros de polibutadieno se injertan en
un copoliacutemero de estierno-acronitrilo Estas resinas posee una amplia gama de
aplicaciones que incluyen de piezas de automoacuteviles teleacutefonos maacutequinas de oficina tales
como ordenadores y electrodomeacutesticos
Caucho de nitrilo (NBR) este caucho es producido en menor cantidad que los anteriores
y se obtiene a partir de la copolimerizacioacuten de acrilonitrilo y butadieno Este material se
utiliza en productos como mangueras tuberiacuteas de combustible adhesivos guantes y
calzado
Copoliacutemero de bloques de Estireno-butadieno (SBS Y SEBS) sus aplicaciones son incluidas
en aditivos para aceites lubricantes adhesivos aplicaciones de automocioacuten alimentos y
otro tipo de envases dispositivos meacutedicos
Metacrilato de metilo-butadieno-estireno (MMBS) su produccioacuten es maacutes escasa ya que
se dedica como modificador de impacto en piezas de automoacuteviles botellas y envases de
alimentos
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU 2000 (a la derecha) [45]
6
Ademaacutes de los poliacutemeros como se mencionoacute anteriormente el butadieno constituye distintos
intermediarios quiacutemicos En la figura 5 puede apreciarse los tipos de poliacutemeros enumerados y
los compuestos quiacutemicos principales como adiponitrilo cloropropano y sus posteriores
aplicaciones
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno [4]
23 Potencial de exposicioacuten
El butadieno forma parte en la produccioacuten de productos industriales y de consumo sin
embargo sobre la base de estos usos los individuos pueden estar expuestos de diferentes
formas [5]
Exposicioacuten Diaria es la exposicioacuten que afecta a los individuos que trabajan en
instalaciones de butadieno y plantas de productos que emplean este compuesto En
estas instalaciones se pueden enfrentar a las exposiciones maacutes comunes de butadieno
por fallo mecaacutenico de un sello de la bomba el paquete de la vaacutelvula conexioacuten de la
tuberiacutea o junta Sin embargo los responsables emplean sistemas de seguridad
restrictivos regulados y controlados por permisos y normas
7
Exposicioacuten del consumidor de producto conteniente en butadieno los consumidores
estaacuten expuestos a niveles bajos o no detectables de butadieno (butadieno no se vende
para uso de consumidores) a traveacutes de la ingesta de alimentos que estaban
almacenados en envases contenedores de butadieno
Emisiones al medio ambiente butadieno se libera en el medio ambiente tanto de
fuentes industriales y no industriales Ante cualquier emisioacuten el sistema de control se
centra en evitar cualquier probabilidad de incendio y controlar los derrames
reduciendo la contaminacioacuten de aire suelo y aguas superficiales o subterraacuteneas Su
alta presioacuten de vapor y la insolubilidad de agua hace que se acumule en el aire creando
un riesgo en la inhalacioacuten (de ahiacute es necesario proteccioacuten de las viacuteas respiratoria ante
cualquier derrame o fuga)
Riesgo para la salud
Contacto con los ojos butadieno liacutequido puede causar la congelacioacuten si entra en
contacto con los ojos y se evapora raacutepidamente Los vapores de butadieno pueden
causar irritacioacuten en los ojos causando incomodidad y enrojecimiento
Contacto con la piel butadieno no es irritante para la piel aunque el butadieno liacutequido
puede causar congelacioacuten si entra en contacto con la piel
Ingestioacuten es poco probable ya que el material es un gas a temperatura y presioacuten
ambiente Aunque el contacto con butadieno liacutequido podriacutea dar lugar a la congelacioacuten
de los labios
Inhalacioacuten zonas cerradas o poco ventilados los vapores de butadieno se pueden
acumular y causar inconsciencia y la muerte Las exposiciones excesivas pueden causar
irritacioacuten en el sistema respiratorio superior (nariz y garganta) o efectos en el sistema
nervioso central Los siacutentomas pueden incluir efectos anesteacutesicos o narcoacuteticos como
mareo o somnolencia
Exposicioacuten repetida exposiciones excesivas repetidas se han reportado efectos en los
rintildeones el hiacutegado los ovarios las viacuteas respiratorias y los testiacuteculos La exposicioacuten
excesiva puede causar dantildeo a los oacuterganos hematopoyeacuteticos (medula oacutesea y bazo)
Carcinogenecidad el butadieno aparece como un carcinoacutegeno humano por la Agencia
Internacional para la Investigacioacuten sobre el Caacutencer
24 Procesos comerciales de butadieno
La produccioacuten de butadieno desde su descubrimiento a traveacutes de la piroacutelisis de materiales
orgaacutenicos ha sido desarrollada a la misma vez que la industria petroquiacutemica En primer lugar
8
el butadieno era generado a partir del acetileno asiacute como del etanol No obstante la
importancia de estos procesos ha disminuido debido a la creciente produccioacuten de butadieno a
partir del petroacuteleo Se han desarrollado tres sistemas de produccioacuten a traveacutes de esta fuente
[1 24]
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
Es el camino maacutes utilizado para la produccioacuten de butadieno en paiacuteses como Estados Unidos
Oeste de Europa y Japoacuten representando aproximadamente el 91 del suministro mundial de
butadieno En este caso no existe una materia prima principal sino que tanto etano propano
butano nafta y gasoacuteleo se alimentan a una pirolisis (craqueo al vapor) de horno donde
combinado con vapor de agua alcanza temperaturas de entre aproximadamente 790-830ordmC
En este rango de temperatura los enlaces C-C y C-H se rompen produciendo hidrogeno
etileno propileno butadieno benceno tolueno y otros co-productos olefiacutenicos importantes
Despueacutes de la pirolisis se enfriacutea el resto de la planta separa los productos deseados en
distintos cortes de acuerdo a las especificaciones impuestas a cada uno de ellos A
continuacioacuten se aprecia en la Figura 6 un ejemplo de los distintos rendimientos de butadieno
respecto a distintas materias primas
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas [3]
La corriente de producto de butadieno crudo final alcanza concentraciones de hasta
aproximadamente un 75 en peso (esta concentracioacuten puede variar en funcioacuten de reciclo en el
sistema)
Como se puede distinguir en la liacutenea roja de la Figura 7 el butadieno experimenta una serie de
tratamientos posterior a su piroacutelisis como enfriamiento compresioacuten lavado secado y
finalmente un proceso de extraccioacuten para obtener la corriente final de butadieno
9
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking [3]
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
Esta deshidrogenacioacuten constituye parte principal del proceso y se constituye en dos etapas de
trabajo primero convirtiendo n-butano a n-butenos y luego a butadieno (etapas
endoteacutermicas) Estas zonas presentan ademaacutes de los reactores principales (trabajando
aproximadamente en rangos de P absoluta de 12-15 cmHg y T de 600-680ordmC) dos reactores
instalados de forma continua Se pueden apreciar en la Figura 8 el segundo reactor se
utilizariacutea para la regeneracioacuten de catalizador mientras que el tercer reactor es el encargado de
purgar antes de que empiece la regeneracioacuten (de esta manera se comporta como un sistema
continua de produccioacuten)
10
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno [3]
El tiempo de residencia de la alimentacioacuten en el reactor es de aproximadamente de 5 a 15
minutos Ademaacutes a la misma vez que va disminuyendo la temperatura en el lecho de
catalizador se va formando una capa de coque en el lecho Para hacer frente al problema del
coque este proceso posee un sistema de regeneracioacuten que emplea aire precalentado para
quemar esta deposicioacuten (a la misma vez aporta el calor necesario para alcanzar la temperatura
deseada) El efluente del reactor se somete a una serie de tratamientos primer lugar la
corriente se enfriacutea en una torre de enfriamiento posteriormente se comprime antes de la
alimentacioacuten al sistema de absorcioacutenstripper En este complejo de absorcioacuten se consigue un
concentrado de C4 para el sistema final de extraccioacuten de butadieno obteniendo una corriente
de producto de butadieno de gran pureza Esta ruta de proceso se trabaja a un rango de
conversioacuten de aproximadamente un 30-40 y un rendimiento total de 60-65
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
Es un sistema que ha reemplazado a muchos procesos antiguos de produccioacuten de butadieno
debido al desarrollo de varios procesos y sistemas de catalizadores de oxideshidrogenacioacuten de
cualquier n-butano o de n-buteno El 1-buteno es mucho maacutes reactivo y requiere condiciones
de operacioacuten menos severas que la de n-butano siendo el empleo de n-butano menos
eficiente Como recomendaciones en la oxideshidrogenacioacuten una mezcla de n-butenos aire y
vapor se hace pasar sobre un lecho de catalizador a baja presioacuten y aproximadamente de 500-
600ordmC El calor de la reaccioacuten exoteacutermica puede ser eliminado indirectamente mediante la
circulacioacuten de sal fundida o por un meacutetodo alternativo que consiste en antildeadir vapor de agua a
la alimentacioacuten (actuando como disipador de calor) En el proceso Oxo-D como se observa en
11
la Figura 9 una mezcla de aire vapor y 1-buteno se hace pasar sobre el catalizador de
deshidrogenacioacuten en un proceso continuo
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos [3]
Como parte final del proceso el efluente del reactor se enfriacutea y como en el sistema anterior
los componentes C4 se recuperan en un absorbedordesgasificadorstripper El aceite como
disolvente fluye desde los fondos del stripper y regresa al absorbedor aunque antes pasa
traveacutes de una zona de purificacioacuten de disolvente Para obtener la corriente de butadieno final
es necesario eliminar la cantidad de disolvente (aceite) por medio de un stripper y un sistema
de purificacioacuten para obtener la corriente final El rango de rendimiento y selectividad puede
variar entre 70-90 lo que hace innecesario recuperar o reciclar material de alimentacioacuten (la
formacioacuten de C02 como reaccioacuten secundaria puede producir la peacuterdida de rendimiento del
proceso)
12
3 Descripcioacuten del proceso
En el estudio de este proyecto y tras analizar cada una de las opciones de trabajo para la
deshidrogenacioacuten de n-butanos se ha decidido seguir un sistema de deshidrogenacioacuten en dos
etapas [13 67]
1) Deshidrogenacioacuten no oxidativa de los n-butanos para obtener n-butenos
2) Deshidrogenacioacuten oxidativa (oxideshidrogenacioacuten) de los n-butenos para producir
butadieno
Como ya se ha dicho con anterioridad existen tres caminos de produccioacuten de butadieno sin
embargo se considera principalmente debido a la necesidad de eficiencia implantar dos fases
distintas de deshidrogenacioacuten La primera fase que corresponde al proceso Catadiene que
consiste en una deshidrogenacioacuten no oxidativa del n-butano mientras que se complementa
con una zona de oxideshidrogenacioacuten de los n-butenos Se ha decidido tomar este sistema
debido a las siguientes razones
o Mayor conversioacuten y selectividad global gracias a la oxideshidrogenacioacuten el aporte de
oxiacutegeno permite eliminar parte de hidrogeno en forma de agua (rendimiento aprox de
65 y una selectividad de 93)
o Oxiacutegeno junto al vapor alimentado disminuye la coquizacioacuten del catalizador
o Bajo consumo de vapor respecto a la deshidrogenacioacuten no oxidativa
o Adicioacuten de oxiacutegeno en la deshidrogenacioacuten de n-butanos genera una gran cantidad de
productos indeseados debido a que a las altas temperaturas requeridas favorece la
reaccioacuten del oxiacutegeno
o Butenos son muchos maacutes reactivos de ahiacute que necesiten condiciones de operacioacuten
menos severas por lo que no es praacutectico la oxideshidrogenacioacuten del n-butano
Este sistema de deshidrogenacioacuten se dividiraacute en tres fases de procesamiento como se observa
en el diagrama de bloques de la Figura 10
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno (6)
13
En primer lugar este medio de produccioacuten parte de una corriente de n-butanos isobutano
propano y un porcentaje de hidrocarburos (C5) la cual necesita ser tratada para obtener una
corriente pura de n-butanos Este sistema presenta un tren de separacioacuten en primer lugar una
columna de destilacioacuten que lo separe en una corriente de n-butano y posteriormente
aprovechar la corriente de isobutanos con un reactor de isomerizacioacuten para generar maacutes n-
butano o como producto final para otros procesos Maacutes adelante en el proyecto se decidiraacute
que se haraacute con el isobutano
Una vez obtenida la corriente de n-butano se alimenta a la zona de deshidrogenacioacuten
encargada de deshidrogenizar para conseguir el butadieno Como ya se ha enunciado se
instalaraacuten dos zonas de deshidrogenacioacuten con condiciones de operacioacuten diferentes La
deshidrogenacioacuten no oxidativa de n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica trabajando
a un rango de temperatura de 600-700ordmC y una presioacuten de 05-8 bar (3) La reaccioacuten principal
en el primer reactor seriacutea la formacioacuten de buteno a traveacutes de la peacuterdida de hidroacutegeno de n-
butano para dar 1-buteno
C4H10 C4H8 (1-buteno) + H2
Para aportar el calor necesario de reaccioacuten se puede quemar in-situ el hidroacutegeno liberado
antildeadiendo una corriente de oxiacutegeno (aire) Suele ser necesario antildeadir hidroacutegeno adicional
externamente para satisfacer totalmente el calor de reaccioacuten
H2 + O2 H2O
Estas reacciones se catalizan selectivamente por catalizadores especializados a este sistema
Los catalizadores se pueden separar en dos partes fundamentales como soporte y composicioacuten
activa En primer lugar el soporte consiste generalmente en un oacutexido resistente al calor u
oacutexido mixto Los oacutexidos empleados preferentemente son los oacutexidos de aluminio oacutexido de
cromo o dioacutexido de silicio La composicioacuten activa de los catalizadores de deshidrogenacioacuten se
comprende generalmente en uno o maacutes metales del grupo de transicioacuten VII de la tabla
perioacutedica preferentemente platino yo paladio En este caso para este reactor se utiliza el
catalizador maacutes comuacuten que es una mezcla de oacutexido de aluminio y oacutexido de cromo Los
catalizadores de deshidrogenacioacuten en su funcioacuten se degeneran con la necesidad de montar un
reactor en paralelo que permita su regeneracioacuten de forma continua Ademaacutes como se observa
14
en el diagrama de bloques de la figura 10 es necesario la aplicacioacuten a estas zonas de
deshidrogenacioacuten de aire a traveacutes del lecho catalizador
Una vez obtenida la corriente de n-butenos se alimenta al segundo reactor con la diferencia
que necesita la alimentacioacuten de oxiacutegeno para la deshidrogenacioacuten oxidativa del 1-buteno La
adiccioacuten de oxigeno permite mejorar la conversioacuten y la selectividad de la deshidrogenacioacuten de
n-buteno eliminando el hidrogeno (7)
2 C4H8 + O2 2 C4H6 + 2 H2O (Reaccioacuten principal)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O (Reaccioacuten secundaria)
Como al igual que la deshidrogenacioacuten no oxidativa para la deshidrogenacioacuten del 1-buteno se
necesita un catalizador preferentemente un sistema de oacutexido multimetaacutelico Mo-Bi-Fe-O En
esta reaccioacuten aparece la formacioacuten de CO2 como reaccioacuten secundaria indeseada a partir del 1-
buteno Una vez obtenida la corriente final de butadieno n-butano no convertido y los demaacutes
co-productos se llevan a un tren de separacioacuten que consta de una columna de destilacioacuten
extractiva con un solvente En primer lugar la columna de destilacioacuten se separa el resto de
hidrocarburos (n-butanos sin reaccionar) por cabeza mientras que el 13-butadieno sale por
fondos Los fondos presentan gran cantidad de disolvente de ahiacute que utilicen una columna de
recuperacioacuten de disolvente para obtener el butadieno final
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
v
vi
Agradecimientos
Despueacutes de cinco antildeos estudiando en esta facultad uno mira atraacutes y se sorprende de todo el
camino recorrido y a la misma vez te das cuenta de lo que cuesta conseguir las metas
personales Aunque haya sido duro tengo que decir que he aprendido tanto profesional como
personalmente gracias a todos los obstaacuteculos que esta carrera me ha puesto en el camino Hoy
puedo decir que me siento orgulloso y satisfecho de todo lo que he hecho porque este es mi
uacuteltimo trabajo que llevareacute a cabo en esta Escuela Teacutecnica y es un punto y final a tanto
esfuerzo
Aunque todo esto no hubiera sido posible sin las personas que siempre han estado ahiacute en las
buenas y en las malas como mis padres mi hermano mis abuelos mi pareja y todos esos
amigos que siempre tienen un momento que regalarte Y no me puedo olvidar de todas esas
personas que han compartido conocido y que me llevo de esta etapa que nunca se iraacuten y
siempre me gustaraacute tenerlos cercas
vii
viii
Resumen
El trabajo que se tiene lugar en este documento se basa en el estudio de viabilidad teacutecnica de
una planta de produccioacuten de butadieno a partir de la deshidrogenacioacuten de n-butanos Se
selecciona la produccioacuten anual de butadieno de una planta referente como criterio de disentildeo
Para llevar a cabo este estudio se emplea un programa de simulacioacuten que en este caso es
Aspen Plus 88
Las conclusiones relevantes de este trabajo es el empleo conjunto de dos rutas principales de
butadieno como es la deshidrogenacioacuten de n-butano y la oxideshidrogenacioacuten e n-butenos en
el proceso Ademaacutes se obtiene el disentildeo de los equipos maacutes representativos del proceso
estudiado asiacute como Columna de destilacioacuten bomba compresor reactor de
oxideshidrogenacioacuten e intercambiador de calor
ix
Abstract
The work takes place in this document is based on technical feasibility study of a production of
butadiene from the dehydrogenation of n-butane The annual production of butadiene is
selected as a reference plant design criteria To carry out this study it is realized with a
simulation program in this case Aspen Plus 88
The main conclusions of this work is the use of two main routes set butadiene as the
dehydrogenation of n-butane and oxidative dehydrogenation of n-butene in this process
Besides it is obtained the design of representative equipment Distillation column pump
compressor oxydehydrogenation reactor and heat exchanger
x
xi
Iacutendice
Agradecimientos ______________________________________________________ vi
Resumen ____________________________________________________________ viii
Abstract _____________________________________________________________ ix
Iacutendice _______________________________________________________________ xi
Iacutendice de Tablas ______________________________________________________ xiv
Iacutendice de Figuras _____________________________________________________ xvi
1 Alcance y objetivo __________________________________________________ 1
2 Introduccioacuten ______________________________________________________ 2
21 Caracteriacutesticas de butadieno ____________________________________________ 3
22 Aplicaciones _________________________________________________________ 4
23 Potencial de exposicioacuten ________________________________________________ 6
24 Procesos comerciales de butadieno ______________________________________ 7
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos _______________________________ 8
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry) _____________ 9
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno ____________________________________ 10
3 Descripcioacuten del proceso ____________________________________________ 12
31 Etapas de produccioacuten ________________________________________________ 15
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano _____________________________________ 15
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos _________________________ 15
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos ___________________________ 17
314 Separacioacuten de butadieno _________________________________________________ 18
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus ________________________________ 20
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten ______________________________ 20
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten _____________________________ 21
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano _________________________________________ 23
421 Modelo de simulacioacuten de reactores _________________________________________ 23
43 Integracioacuten energeacutetica _______________________________________________ 24
44 Equipos reguladores de presioacuten ________________________________________ 25
45 Destino final del isobutano separado ____________________________________ 26
xii
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos _______________________________ 28
51 Fase de tratamiento _________________________________________________ 31
511 Compresor (C-1) ________________________________________________________ 31
512 Columna de destilacioacuten (D-1) ______________________________________________ 36
513 Bomba (B-1)____________________________________________________________ 37
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3) _______________________________________ 39
52 Reactores de deshidrogenacioacuten ________________________________________ 42
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa ___________________________________ 42
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo ____________________________________ 43
53 Intercambiadores de calor ____________________________________________ 44
5 Bibliografiacutea ______________________________________________________ 47
xiii
xiv
Iacutendice de Tablas
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de tiempo de residencia normal de trabajo en reactores de
deshidrogenacioacuten no oxidativa 17
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos 18
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten 18
Tabla 4 Disolventes usaos industrialmente 19
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso 30
Tabla 6 Especificaciones de C-1 31
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1) 36
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1 37
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1 37
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2) 39
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2 40
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3) 40
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3 40
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten 41
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados 42
Tabla 16 Temperaturas de las corrientes en INT-1 44
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1 44
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2 45
Tabla 19 Temperaturas de las corrientes en INT-3 45
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4 45
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4 46
xv
xvi
Iacutendice de Figuras
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno 2
Figura 2 Propiedades de butadieno 3
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 4
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU
2000 (a la derecha) 5
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno 6
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas 8
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking 9
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno 10
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos 11
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno 12
Figura 11 Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten 15
Figura 12 Diagrama de proceso de la planta de butadieno 28
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados 34
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores 35
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso 36
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba 38
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH 39
xvii
1
1 Alcance y objetivo
En este proyecto se desarrolla la ingenieriacutea baacutesica de una planta de produccioacuten de butadieno a
partir de la deshidrogenacioacuten de n-butanos
El trabajo se centra en el estudio en profundidad del proceso de obtencioacuten de butadieno a
traveacutes de una de las rutas de proceso maacutes empleados en la actualidad deshidrogenacioacuten y
oxideshidrogenacioacuten Se marca como objetivo conocer primeramente las caracteriacutesticas del
butadieno y todas sus formas de produccioacuten para mostrar la utilidad que tiene esta ruta
actualmente A la misma vez se justifica la eleccioacuten del proceso elegido comparando las
distintas caracteriacutesticas de cada uno
En esta descripcioacuten del proceso se incluye un anaacutelisis global de cada una de las etapas para a
continuacioacuten especificar cada una de ellas Esta informacioacuten se utiliza para poder completar el
diagrama de proceso y constituir la simulacioacuten de una planta de butadieno Este trabajo
permite estudiar e investigar un proceso poco convencional y poner en praacutectica los
conocimientos estudiados Se lleva a cabo con el programa Aspen Plus donde se intenta
representar el diagrama tendiendo a todas las especificaciones impuestas y conseguir una
visioacuten real numeacuterica del proceso estudiado En este programa se pondraacute en praacutectica el uso de
balances de materia y energiacutea necesarios para comprender los resultados obtenidos Por
uacuteltimo se aprovechan los caacutelculos realizados en el simulador para disentildear los equipos maacutes
representativos en el sistema Para ello antes hay que disentildear un diagrama de proceso con las
directrices estudiadas tanto en la informacioacuten buscada como los conceptos adquiridos
Como criterio de disentildeo se fija una capacidad de produccioacuten acorde con una planta de
butadieno que utiliza como materia prima el n-butano ademaacutes de un disentildeo que represente
los equipos industriales necesarios comuacutenmente en este tipo de proceso Aunque se trata de
una ingenieriacutea baacutesica se decide durante la realizacioacuten del mismo no llevar a cabo el balance
econoacutemico de todo el proyecto ya que se considera prescindible debido a sus numerosas
praacutecticas durante la carrera
2
2 Introduccioacuten
El butadieno (se habla de 13 butadieno ya que conforma el hidrocarburo C4 insaturado maacutes
importante econoacutemicamente) es un producto importante de la industria petroquiacutemica Su
sencilla estructura quiacutemica (figura 1) combinada con su bajo peso molecular y alta reactividad
quiacutemica hace que sea un elemento muy uacutetil en la siacutentesis de otros materiales [1]
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno
Antes del desarrollo de la industria de butadieno el butadieno aparece en 1863 cuando el
quiacutemico franceacutes E Caventou aisloacute un hidrocarburo hasta ahora desconocido con la piroacutelisis de
alcohol amiacutelico Este hidrocarburo se identificoacute como butadieno en 1886 despueacutes de que
Henry Edward Amstronglo lo aislara de unos de los productos de la piroacutelisis de petroacuteleo En
1910 el quiacutemico ruso Sergei Lebedev polimerizoacute el butadieno obteniendo un material con
propiedades similares al caucho Este poliacutemero no fue lo suficiente adecuado para reemplazar
el caucho natural en muchas aplicaciones sobre todo en los neumaacuteticos del automoacutevil A partir
de ahiacute la industria de butadieno se centroacute en las necesidades de la Segunda Guerra Mundial
ya que las naciones combatientes como Alemania y Estados Unidos apostaron por disminuir la
dependencia de las industrias del caucho controladas por el Gobierno Britaacutenico [1]
Hasta la actualidad la produccioacuten mundial de butadieno ha estado ligada a la demanda de
manufacturacioacuten de neumaacuteticos Como estudios de 2015 reflejan por primera vez desde 2000
la produccioacuten europea de caucho sinteacutetico a partir de butadieno superoacute la demanda como
resultado de la contraccioacuten de la industria automoviliacutestica Este mismo estudio cifra que la
demanda europea fue de 2459778 toneladas mientras que la produccioacuten se situoacute en
2246137 toneladas Sin embargo observando el futuro de este producto se espera invertir la
situacioacuten superando la produccioacuten a la demanda por 162953 toneladas Ante esta situacioacuten las
3
empresas se mueven hacia un mercado de exportacioacuten con el objetivo de conseguir la
produccioacuten deseada Alguacuten ejemplo apreciable es la expansioacuten de la empresa alemana
LyondellBsell con su unidad de extraccioacuten en Wesseling Alemania y los planes de Versalis para
construir una nueva unidad de 70000 toneladasantildeo en su planta de Dunkerque Francia [2]
21 Caracteriacutesticas de butadieno
Este compuesto presenta propiedades quiacutemicas y fiacutesicas como gas inflamable incoloro con un
olor suave y aromaacutetico ademaacutes de ser altamente reactivo Es soluble en alcohol y eacuteter
insoluble en agua y se polimeriza faacutecilmente (en particular si el oxiacutegeno estaacute presente) Debido
a sus dobles enlaces conjugados pueden tomar parte en numerosas reacciones que incluyen
12- y 14- adicionales con siacute mismo (polimerizacioacuten) y de otros reactivos la dimerizacioacuten lineal
y de trimerizacioacuten y formacioacuten de anillo En la figura 2 siguiente muestra una tabla con las
propiedades principales de este compuesto
Figura 2 Propiedades de butadieno [3]
El 13-butadieno el dieno conjugado maacutes simple ha sido sometido a numerosos estudios para
comprender todas sus propiedades fiacutesicas y quiacutemicas La unioacuten de los dobles enlaces hace que
sea 15kJmol maacutes estable termodinaacutemicamente que una moleacutecula con dos enlaces simples La
4
longitud del doble enlace en 13-butadieno es 0134 nm y los enlaces simples 0148 Ya que los
enlaces simples de carbono-carbono son normalmente de 0154 nm esto indica el grado de
doble enlace en la mitad de enlace simple [4]
22 Aplicaciones
La produccioacuten de butadieno mundial estaacute dominada por las fracciones de craqueo por vapor
de C4 convirtieacutendose en la ruta ideal para maacutes del 95 de la produccioacuten de butadieno En la
Figura 3 se puede distinguir la situacioacuten mundial de butadieno en 1998 y destacar por
ejemplo que en el caso de Europa Occidental la materia especiacutefica de craqueo se centra en la
nafta El motivo de este dominio son los altos rendimientos conseguidos a traveacutes de este
medio sin embargo en la actualidad su aplicacioacuten ha disminuido ligeramente debido al
desarrollo de nuevas teacutecnicas de deshidrogenacioacuten oxidativa como se veraacute en los apartados
siguientes
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 [1]
El butadieno se usa principalmente como monoacutemero en la fabricacioacuten de cauchos o
elastoacutemeros sinteacuteticos como se aprecia en la Figura 4 suponiendo aproximadamente el 70
del uso de butadieno Entre los poliacutemeros destacados de esta aplicacioacuten son Estireno-
butadieno (SBR) caucho de polibutadieno (PBR) policloropreno (Neopreno) y caucho de
nitrilo (NBR) Ademaacutes como monoacutemero es importante como intermediario en la produccioacuten de
algunos productos quiacutemicos (gracias a su alta reactividad quiacutemica) Los cauchos anteriormente
mencionados se distinguiriacutean de la siguiente forma [4]
Caucho estireno-butadieno (SBR) se obtiene por la polimerizacioacuten de estireno y
butadieno constituyendo la mayor aplicacioacuten de butadieno El uso principal de SBR
5
estaacute en neumaacuteticos y en menor cantidad en adhesivos y selladores suelas de zapatos
revestimientos de alambre y cable
Polibutadieno (PB) producido por la polimerizacioacuten de butadieno es el segundo
monoacutemero maacutes usado Ademaacutes de coacutemo materia prima para neumaacuteticos el PB se
utiliza como producto intermedio en la produccioacuten de acrilonitrilo-butadieno-estireno
(ABS) y modificadores de impacto
Laacutetex Estireno-butadieno (SBL) se trata de una dispersioacuten acuosa estable que contiene
discretas partiacuteculas de poliacutemero de aproximadamente 005 a 5 microacutemetros de
diaacutemetro Entre sus aplicaciones consta la goma espuma (cojines esponjas) adhesivos
(pavimentos azulejos) selladores y revestimientos de papel
Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno (ABS) resinas ABS son mezclas de dos fases Se pueden
producir por polimerizacioacuten donde los homopoliacutemeros de polibutadieno se injertan en
un copoliacutemero de estierno-acronitrilo Estas resinas posee una amplia gama de
aplicaciones que incluyen de piezas de automoacuteviles teleacutefonos maacutequinas de oficina tales
como ordenadores y electrodomeacutesticos
Caucho de nitrilo (NBR) este caucho es producido en menor cantidad que los anteriores
y se obtiene a partir de la copolimerizacioacuten de acrilonitrilo y butadieno Este material se
utiliza en productos como mangueras tuberiacuteas de combustible adhesivos guantes y
calzado
Copoliacutemero de bloques de Estireno-butadieno (SBS Y SEBS) sus aplicaciones son incluidas
en aditivos para aceites lubricantes adhesivos aplicaciones de automocioacuten alimentos y
otro tipo de envases dispositivos meacutedicos
Metacrilato de metilo-butadieno-estireno (MMBS) su produccioacuten es maacutes escasa ya que
se dedica como modificador de impacto en piezas de automoacuteviles botellas y envases de
alimentos
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU 2000 (a la derecha) [45]
6
Ademaacutes de los poliacutemeros como se mencionoacute anteriormente el butadieno constituye distintos
intermediarios quiacutemicos En la figura 5 puede apreciarse los tipos de poliacutemeros enumerados y
los compuestos quiacutemicos principales como adiponitrilo cloropropano y sus posteriores
aplicaciones
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno [4]
23 Potencial de exposicioacuten
El butadieno forma parte en la produccioacuten de productos industriales y de consumo sin
embargo sobre la base de estos usos los individuos pueden estar expuestos de diferentes
formas [5]
Exposicioacuten Diaria es la exposicioacuten que afecta a los individuos que trabajan en
instalaciones de butadieno y plantas de productos que emplean este compuesto En
estas instalaciones se pueden enfrentar a las exposiciones maacutes comunes de butadieno
por fallo mecaacutenico de un sello de la bomba el paquete de la vaacutelvula conexioacuten de la
tuberiacutea o junta Sin embargo los responsables emplean sistemas de seguridad
restrictivos regulados y controlados por permisos y normas
7
Exposicioacuten del consumidor de producto conteniente en butadieno los consumidores
estaacuten expuestos a niveles bajos o no detectables de butadieno (butadieno no se vende
para uso de consumidores) a traveacutes de la ingesta de alimentos que estaban
almacenados en envases contenedores de butadieno
Emisiones al medio ambiente butadieno se libera en el medio ambiente tanto de
fuentes industriales y no industriales Ante cualquier emisioacuten el sistema de control se
centra en evitar cualquier probabilidad de incendio y controlar los derrames
reduciendo la contaminacioacuten de aire suelo y aguas superficiales o subterraacuteneas Su
alta presioacuten de vapor y la insolubilidad de agua hace que se acumule en el aire creando
un riesgo en la inhalacioacuten (de ahiacute es necesario proteccioacuten de las viacuteas respiratoria ante
cualquier derrame o fuga)
Riesgo para la salud
Contacto con los ojos butadieno liacutequido puede causar la congelacioacuten si entra en
contacto con los ojos y se evapora raacutepidamente Los vapores de butadieno pueden
causar irritacioacuten en los ojos causando incomodidad y enrojecimiento
Contacto con la piel butadieno no es irritante para la piel aunque el butadieno liacutequido
puede causar congelacioacuten si entra en contacto con la piel
Ingestioacuten es poco probable ya que el material es un gas a temperatura y presioacuten
ambiente Aunque el contacto con butadieno liacutequido podriacutea dar lugar a la congelacioacuten
de los labios
Inhalacioacuten zonas cerradas o poco ventilados los vapores de butadieno se pueden
acumular y causar inconsciencia y la muerte Las exposiciones excesivas pueden causar
irritacioacuten en el sistema respiratorio superior (nariz y garganta) o efectos en el sistema
nervioso central Los siacutentomas pueden incluir efectos anesteacutesicos o narcoacuteticos como
mareo o somnolencia
Exposicioacuten repetida exposiciones excesivas repetidas se han reportado efectos en los
rintildeones el hiacutegado los ovarios las viacuteas respiratorias y los testiacuteculos La exposicioacuten
excesiva puede causar dantildeo a los oacuterganos hematopoyeacuteticos (medula oacutesea y bazo)
Carcinogenecidad el butadieno aparece como un carcinoacutegeno humano por la Agencia
Internacional para la Investigacioacuten sobre el Caacutencer
24 Procesos comerciales de butadieno
La produccioacuten de butadieno desde su descubrimiento a traveacutes de la piroacutelisis de materiales
orgaacutenicos ha sido desarrollada a la misma vez que la industria petroquiacutemica En primer lugar
8
el butadieno era generado a partir del acetileno asiacute como del etanol No obstante la
importancia de estos procesos ha disminuido debido a la creciente produccioacuten de butadieno a
partir del petroacuteleo Se han desarrollado tres sistemas de produccioacuten a traveacutes de esta fuente
[1 24]
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
Es el camino maacutes utilizado para la produccioacuten de butadieno en paiacuteses como Estados Unidos
Oeste de Europa y Japoacuten representando aproximadamente el 91 del suministro mundial de
butadieno En este caso no existe una materia prima principal sino que tanto etano propano
butano nafta y gasoacuteleo se alimentan a una pirolisis (craqueo al vapor) de horno donde
combinado con vapor de agua alcanza temperaturas de entre aproximadamente 790-830ordmC
En este rango de temperatura los enlaces C-C y C-H se rompen produciendo hidrogeno
etileno propileno butadieno benceno tolueno y otros co-productos olefiacutenicos importantes
Despueacutes de la pirolisis se enfriacutea el resto de la planta separa los productos deseados en
distintos cortes de acuerdo a las especificaciones impuestas a cada uno de ellos A
continuacioacuten se aprecia en la Figura 6 un ejemplo de los distintos rendimientos de butadieno
respecto a distintas materias primas
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas [3]
La corriente de producto de butadieno crudo final alcanza concentraciones de hasta
aproximadamente un 75 en peso (esta concentracioacuten puede variar en funcioacuten de reciclo en el
sistema)
Como se puede distinguir en la liacutenea roja de la Figura 7 el butadieno experimenta una serie de
tratamientos posterior a su piroacutelisis como enfriamiento compresioacuten lavado secado y
finalmente un proceso de extraccioacuten para obtener la corriente final de butadieno
9
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking [3]
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
Esta deshidrogenacioacuten constituye parte principal del proceso y se constituye en dos etapas de
trabajo primero convirtiendo n-butano a n-butenos y luego a butadieno (etapas
endoteacutermicas) Estas zonas presentan ademaacutes de los reactores principales (trabajando
aproximadamente en rangos de P absoluta de 12-15 cmHg y T de 600-680ordmC) dos reactores
instalados de forma continua Se pueden apreciar en la Figura 8 el segundo reactor se
utilizariacutea para la regeneracioacuten de catalizador mientras que el tercer reactor es el encargado de
purgar antes de que empiece la regeneracioacuten (de esta manera se comporta como un sistema
continua de produccioacuten)
10
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno [3]
El tiempo de residencia de la alimentacioacuten en el reactor es de aproximadamente de 5 a 15
minutos Ademaacutes a la misma vez que va disminuyendo la temperatura en el lecho de
catalizador se va formando una capa de coque en el lecho Para hacer frente al problema del
coque este proceso posee un sistema de regeneracioacuten que emplea aire precalentado para
quemar esta deposicioacuten (a la misma vez aporta el calor necesario para alcanzar la temperatura
deseada) El efluente del reactor se somete a una serie de tratamientos primer lugar la
corriente se enfriacutea en una torre de enfriamiento posteriormente se comprime antes de la
alimentacioacuten al sistema de absorcioacutenstripper En este complejo de absorcioacuten se consigue un
concentrado de C4 para el sistema final de extraccioacuten de butadieno obteniendo una corriente
de producto de butadieno de gran pureza Esta ruta de proceso se trabaja a un rango de
conversioacuten de aproximadamente un 30-40 y un rendimiento total de 60-65
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
Es un sistema que ha reemplazado a muchos procesos antiguos de produccioacuten de butadieno
debido al desarrollo de varios procesos y sistemas de catalizadores de oxideshidrogenacioacuten de
cualquier n-butano o de n-buteno El 1-buteno es mucho maacutes reactivo y requiere condiciones
de operacioacuten menos severas que la de n-butano siendo el empleo de n-butano menos
eficiente Como recomendaciones en la oxideshidrogenacioacuten una mezcla de n-butenos aire y
vapor se hace pasar sobre un lecho de catalizador a baja presioacuten y aproximadamente de 500-
600ordmC El calor de la reaccioacuten exoteacutermica puede ser eliminado indirectamente mediante la
circulacioacuten de sal fundida o por un meacutetodo alternativo que consiste en antildeadir vapor de agua a
la alimentacioacuten (actuando como disipador de calor) En el proceso Oxo-D como se observa en
11
la Figura 9 una mezcla de aire vapor y 1-buteno se hace pasar sobre el catalizador de
deshidrogenacioacuten en un proceso continuo
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos [3]
Como parte final del proceso el efluente del reactor se enfriacutea y como en el sistema anterior
los componentes C4 se recuperan en un absorbedordesgasificadorstripper El aceite como
disolvente fluye desde los fondos del stripper y regresa al absorbedor aunque antes pasa
traveacutes de una zona de purificacioacuten de disolvente Para obtener la corriente de butadieno final
es necesario eliminar la cantidad de disolvente (aceite) por medio de un stripper y un sistema
de purificacioacuten para obtener la corriente final El rango de rendimiento y selectividad puede
variar entre 70-90 lo que hace innecesario recuperar o reciclar material de alimentacioacuten (la
formacioacuten de C02 como reaccioacuten secundaria puede producir la peacuterdida de rendimiento del
proceso)
12
3 Descripcioacuten del proceso
En el estudio de este proyecto y tras analizar cada una de las opciones de trabajo para la
deshidrogenacioacuten de n-butanos se ha decidido seguir un sistema de deshidrogenacioacuten en dos
etapas [13 67]
1) Deshidrogenacioacuten no oxidativa de los n-butanos para obtener n-butenos
2) Deshidrogenacioacuten oxidativa (oxideshidrogenacioacuten) de los n-butenos para producir
butadieno
Como ya se ha dicho con anterioridad existen tres caminos de produccioacuten de butadieno sin
embargo se considera principalmente debido a la necesidad de eficiencia implantar dos fases
distintas de deshidrogenacioacuten La primera fase que corresponde al proceso Catadiene que
consiste en una deshidrogenacioacuten no oxidativa del n-butano mientras que se complementa
con una zona de oxideshidrogenacioacuten de los n-butenos Se ha decidido tomar este sistema
debido a las siguientes razones
o Mayor conversioacuten y selectividad global gracias a la oxideshidrogenacioacuten el aporte de
oxiacutegeno permite eliminar parte de hidrogeno en forma de agua (rendimiento aprox de
65 y una selectividad de 93)
o Oxiacutegeno junto al vapor alimentado disminuye la coquizacioacuten del catalizador
o Bajo consumo de vapor respecto a la deshidrogenacioacuten no oxidativa
o Adicioacuten de oxiacutegeno en la deshidrogenacioacuten de n-butanos genera una gran cantidad de
productos indeseados debido a que a las altas temperaturas requeridas favorece la
reaccioacuten del oxiacutegeno
o Butenos son muchos maacutes reactivos de ahiacute que necesiten condiciones de operacioacuten
menos severas por lo que no es praacutectico la oxideshidrogenacioacuten del n-butano
Este sistema de deshidrogenacioacuten se dividiraacute en tres fases de procesamiento como se observa
en el diagrama de bloques de la Figura 10
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno (6)
13
En primer lugar este medio de produccioacuten parte de una corriente de n-butanos isobutano
propano y un porcentaje de hidrocarburos (C5) la cual necesita ser tratada para obtener una
corriente pura de n-butanos Este sistema presenta un tren de separacioacuten en primer lugar una
columna de destilacioacuten que lo separe en una corriente de n-butano y posteriormente
aprovechar la corriente de isobutanos con un reactor de isomerizacioacuten para generar maacutes n-
butano o como producto final para otros procesos Maacutes adelante en el proyecto se decidiraacute
que se haraacute con el isobutano
Una vez obtenida la corriente de n-butano se alimenta a la zona de deshidrogenacioacuten
encargada de deshidrogenizar para conseguir el butadieno Como ya se ha enunciado se
instalaraacuten dos zonas de deshidrogenacioacuten con condiciones de operacioacuten diferentes La
deshidrogenacioacuten no oxidativa de n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica trabajando
a un rango de temperatura de 600-700ordmC y una presioacuten de 05-8 bar (3) La reaccioacuten principal
en el primer reactor seriacutea la formacioacuten de buteno a traveacutes de la peacuterdida de hidroacutegeno de n-
butano para dar 1-buteno
C4H10 C4H8 (1-buteno) + H2
Para aportar el calor necesario de reaccioacuten se puede quemar in-situ el hidroacutegeno liberado
antildeadiendo una corriente de oxiacutegeno (aire) Suele ser necesario antildeadir hidroacutegeno adicional
externamente para satisfacer totalmente el calor de reaccioacuten
H2 + O2 H2O
Estas reacciones se catalizan selectivamente por catalizadores especializados a este sistema
Los catalizadores se pueden separar en dos partes fundamentales como soporte y composicioacuten
activa En primer lugar el soporte consiste generalmente en un oacutexido resistente al calor u
oacutexido mixto Los oacutexidos empleados preferentemente son los oacutexidos de aluminio oacutexido de
cromo o dioacutexido de silicio La composicioacuten activa de los catalizadores de deshidrogenacioacuten se
comprende generalmente en uno o maacutes metales del grupo de transicioacuten VII de la tabla
perioacutedica preferentemente platino yo paladio En este caso para este reactor se utiliza el
catalizador maacutes comuacuten que es una mezcla de oacutexido de aluminio y oacutexido de cromo Los
catalizadores de deshidrogenacioacuten en su funcioacuten se degeneran con la necesidad de montar un
reactor en paralelo que permita su regeneracioacuten de forma continua Ademaacutes como se observa
14
en el diagrama de bloques de la figura 10 es necesario la aplicacioacuten a estas zonas de
deshidrogenacioacuten de aire a traveacutes del lecho catalizador
Una vez obtenida la corriente de n-butenos se alimenta al segundo reactor con la diferencia
que necesita la alimentacioacuten de oxiacutegeno para la deshidrogenacioacuten oxidativa del 1-buteno La
adiccioacuten de oxigeno permite mejorar la conversioacuten y la selectividad de la deshidrogenacioacuten de
n-buteno eliminando el hidrogeno (7)
2 C4H8 + O2 2 C4H6 + 2 H2O (Reaccioacuten principal)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O (Reaccioacuten secundaria)
Como al igual que la deshidrogenacioacuten no oxidativa para la deshidrogenacioacuten del 1-buteno se
necesita un catalizador preferentemente un sistema de oacutexido multimetaacutelico Mo-Bi-Fe-O En
esta reaccioacuten aparece la formacioacuten de CO2 como reaccioacuten secundaria indeseada a partir del 1-
buteno Una vez obtenida la corriente final de butadieno n-butano no convertido y los demaacutes
co-productos se llevan a un tren de separacioacuten que consta de una columna de destilacioacuten
extractiva con un solvente En primer lugar la columna de destilacioacuten se separa el resto de
hidrocarburos (n-butanos sin reaccionar) por cabeza mientras que el 13-butadieno sale por
fondos Los fondos presentan gran cantidad de disolvente de ahiacute que utilicen una columna de
recuperacioacuten de disolvente para obtener el butadieno final
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
vi
Agradecimientos
Despueacutes de cinco antildeos estudiando en esta facultad uno mira atraacutes y se sorprende de todo el
camino recorrido y a la misma vez te das cuenta de lo que cuesta conseguir las metas
personales Aunque haya sido duro tengo que decir que he aprendido tanto profesional como
personalmente gracias a todos los obstaacuteculos que esta carrera me ha puesto en el camino Hoy
puedo decir que me siento orgulloso y satisfecho de todo lo que he hecho porque este es mi
uacuteltimo trabajo que llevareacute a cabo en esta Escuela Teacutecnica y es un punto y final a tanto
esfuerzo
Aunque todo esto no hubiera sido posible sin las personas que siempre han estado ahiacute en las
buenas y en las malas como mis padres mi hermano mis abuelos mi pareja y todos esos
amigos que siempre tienen un momento que regalarte Y no me puedo olvidar de todas esas
personas que han compartido conocido y que me llevo de esta etapa que nunca se iraacuten y
siempre me gustaraacute tenerlos cercas
vii
viii
Resumen
El trabajo que se tiene lugar en este documento se basa en el estudio de viabilidad teacutecnica de
una planta de produccioacuten de butadieno a partir de la deshidrogenacioacuten de n-butanos Se
selecciona la produccioacuten anual de butadieno de una planta referente como criterio de disentildeo
Para llevar a cabo este estudio se emplea un programa de simulacioacuten que en este caso es
Aspen Plus 88
Las conclusiones relevantes de este trabajo es el empleo conjunto de dos rutas principales de
butadieno como es la deshidrogenacioacuten de n-butano y la oxideshidrogenacioacuten e n-butenos en
el proceso Ademaacutes se obtiene el disentildeo de los equipos maacutes representativos del proceso
estudiado asiacute como Columna de destilacioacuten bomba compresor reactor de
oxideshidrogenacioacuten e intercambiador de calor
ix
Abstract
The work takes place in this document is based on technical feasibility study of a production of
butadiene from the dehydrogenation of n-butane The annual production of butadiene is
selected as a reference plant design criteria To carry out this study it is realized with a
simulation program in this case Aspen Plus 88
The main conclusions of this work is the use of two main routes set butadiene as the
dehydrogenation of n-butane and oxidative dehydrogenation of n-butene in this process
Besides it is obtained the design of representative equipment Distillation column pump
compressor oxydehydrogenation reactor and heat exchanger
x
xi
Iacutendice
Agradecimientos ______________________________________________________ vi
Resumen ____________________________________________________________ viii
Abstract _____________________________________________________________ ix
Iacutendice _______________________________________________________________ xi
Iacutendice de Tablas ______________________________________________________ xiv
Iacutendice de Figuras _____________________________________________________ xvi
1 Alcance y objetivo __________________________________________________ 1
2 Introduccioacuten ______________________________________________________ 2
21 Caracteriacutesticas de butadieno ____________________________________________ 3
22 Aplicaciones _________________________________________________________ 4
23 Potencial de exposicioacuten ________________________________________________ 6
24 Procesos comerciales de butadieno ______________________________________ 7
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos _______________________________ 8
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry) _____________ 9
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno ____________________________________ 10
3 Descripcioacuten del proceso ____________________________________________ 12
31 Etapas de produccioacuten ________________________________________________ 15
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano _____________________________________ 15
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos _________________________ 15
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos ___________________________ 17
314 Separacioacuten de butadieno _________________________________________________ 18
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus ________________________________ 20
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten ______________________________ 20
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten _____________________________ 21
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano _________________________________________ 23
421 Modelo de simulacioacuten de reactores _________________________________________ 23
43 Integracioacuten energeacutetica _______________________________________________ 24
44 Equipos reguladores de presioacuten ________________________________________ 25
45 Destino final del isobutano separado ____________________________________ 26
xii
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos _______________________________ 28
51 Fase de tratamiento _________________________________________________ 31
511 Compresor (C-1) ________________________________________________________ 31
512 Columna de destilacioacuten (D-1) ______________________________________________ 36
513 Bomba (B-1)____________________________________________________________ 37
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3) _______________________________________ 39
52 Reactores de deshidrogenacioacuten ________________________________________ 42
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa ___________________________________ 42
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo ____________________________________ 43
53 Intercambiadores de calor ____________________________________________ 44
5 Bibliografiacutea ______________________________________________________ 47
xiii
xiv
Iacutendice de Tablas
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de tiempo de residencia normal de trabajo en reactores de
deshidrogenacioacuten no oxidativa 17
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos 18
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten 18
Tabla 4 Disolventes usaos industrialmente 19
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso 30
Tabla 6 Especificaciones de C-1 31
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1) 36
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1 37
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1 37
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2) 39
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2 40
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3) 40
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3 40
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten 41
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados 42
Tabla 16 Temperaturas de las corrientes en INT-1 44
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1 44
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2 45
Tabla 19 Temperaturas de las corrientes en INT-3 45
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4 45
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4 46
xv
xvi
Iacutendice de Figuras
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno 2
Figura 2 Propiedades de butadieno 3
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 4
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU
2000 (a la derecha) 5
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno 6
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas 8
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking 9
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno 10
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos 11
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno 12
Figura 11 Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten 15
Figura 12 Diagrama de proceso de la planta de butadieno 28
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados 34
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores 35
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso 36
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba 38
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH 39
xvii
1
1 Alcance y objetivo
En este proyecto se desarrolla la ingenieriacutea baacutesica de una planta de produccioacuten de butadieno a
partir de la deshidrogenacioacuten de n-butanos
El trabajo se centra en el estudio en profundidad del proceso de obtencioacuten de butadieno a
traveacutes de una de las rutas de proceso maacutes empleados en la actualidad deshidrogenacioacuten y
oxideshidrogenacioacuten Se marca como objetivo conocer primeramente las caracteriacutesticas del
butadieno y todas sus formas de produccioacuten para mostrar la utilidad que tiene esta ruta
actualmente A la misma vez se justifica la eleccioacuten del proceso elegido comparando las
distintas caracteriacutesticas de cada uno
En esta descripcioacuten del proceso se incluye un anaacutelisis global de cada una de las etapas para a
continuacioacuten especificar cada una de ellas Esta informacioacuten se utiliza para poder completar el
diagrama de proceso y constituir la simulacioacuten de una planta de butadieno Este trabajo
permite estudiar e investigar un proceso poco convencional y poner en praacutectica los
conocimientos estudiados Se lleva a cabo con el programa Aspen Plus donde se intenta
representar el diagrama tendiendo a todas las especificaciones impuestas y conseguir una
visioacuten real numeacuterica del proceso estudiado En este programa se pondraacute en praacutectica el uso de
balances de materia y energiacutea necesarios para comprender los resultados obtenidos Por
uacuteltimo se aprovechan los caacutelculos realizados en el simulador para disentildear los equipos maacutes
representativos en el sistema Para ello antes hay que disentildear un diagrama de proceso con las
directrices estudiadas tanto en la informacioacuten buscada como los conceptos adquiridos
Como criterio de disentildeo se fija una capacidad de produccioacuten acorde con una planta de
butadieno que utiliza como materia prima el n-butano ademaacutes de un disentildeo que represente
los equipos industriales necesarios comuacutenmente en este tipo de proceso Aunque se trata de
una ingenieriacutea baacutesica se decide durante la realizacioacuten del mismo no llevar a cabo el balance
econoacutemico de todo el proyecto ya que se considera prescindible debido a sus numerosas
praacutecticas durante la carrera
2
2 Introduccioacuten
El butadieno (se habla de 13 butadieno ya que conforma el hidrocarburo C4 insaturado maacutes
importante econoacutemicamente) es un producto importante de la industria petroquiacutemica Su
sencilla estructura quiacutemica (figura 1) combinada con su bajo peso molecular y alta reactividad
quiacutemica hace que sea un elemento muy uacutetil en la siacutentesis de otros materiales [1]
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno
Antes del desarrollo de la industria de butadieno el butadieno aparece en 1863 cuando el
quiacutemico franceacutes E Caventou aisloacute un hidrocarburo hasta ahora desconocido con la piroacutelisis de
alcohol amiacutelico Este hidrocarburo se identificoacute como butadieno en 1886 despueacutes de que
Henry Edward Amstronglo lo aislara de unos de los productos de la piroacutelisis de petroacuteleo En
1910 el quiacutemico ruso Sergei Lebedev polimerizoacute el butadieno obteniendo un material con
propiedades similares al caucho Este poliacutemero no fue lo suficiente adecuado para reemplazar
el caucho natural en muchas aplicaciones sobre todo en los neumaacuteticos del automoacutevil A partir
de ahiacute la industria de butadieno se centroacute en las necesidades de la Segunda Guerra Mundial
ya que las naciones combatientes como Alemania y Estados Unidos apostaron por disminuir la
dependencia de las industrias del caucho controladas por el Gobierno Britaacutenico [1]
Hasta la actualidad la produccioacuten mundial de butadieno ha estado ligada a la demanda de
manufacturacioacuten de neumaacuteticos Como estudios de 2015 reflejan por primera vez desde 2000
la produccioacuten europea de caucho sinteacutetico a partir de butadieno superoacute la demanda como
resultado de la contraccioacuten de la industria automoviliacutestica Este mismo estudio cifra que la
demanda europea fue de 2459778 toneladas mientras que la produccioacuten se situoacute en
2246137 toneladas Sin embargo observando el futuro de este producto se espera invertir la
situacioacuten superando la produccioacuten a la demanda por 162953 toneladas Ante esta situacioacuten las
3
empresas se mueven hacia un mercado de exportacioacuten con el objetivo de conseguir la
produccioacuten deseada Alguacuten ejemplo apreciable es la expansioacuten de la empresa alemana
LyondellBsell con su unidad de extraccioacuten en Wesseling Alemania y los planes de Versalis para
construir una nueva unidad de 70000 toneladasantildeo en su planta de Dunkerque Francia [2]
21 Caracteriacutesticas de butadieno
Este compuesto presenta propiedades quiacutemicas y fiacutesicas como gas inflamable incoloro con un
olor suave y aromaacutetico ademaacutes de ser altamente reactivo Es soluble en alcohol y eacuteter
insoluble en agua y se polimeriza faacutecilmente (en particular si el oxiacutegeno estaacute presente) Debido
a sus dobles enlaces conjugados pueden tomar parte en numerosas reacciones que incluyen
12- y 14- adicionales con siacute mismo (polimerizacioacuten) y de otros reactivos la dimerizacioacuten lineal
y de trimerizacioacuten y formacioacuten de anillo En la figura 2 siguiente muestra una tabla con las
propiedades principales de este compuesto
Figura 2 Propiedades de butadieno [3]
El 13-butadieno el dieno conjugado maacutes simple ha sido sometido a numerosos estudios para
comprender todas sus propiedades fiacutesicas y quiacutemicas La unioacuten de los dobles enlaces hace que
sea 15kJmol maacutes estable termodinaacutemicamente que una moleacutecula con dos enlaces simples La
4
longitud del doble enlace en 13-butadieno es 0134 nm y los enlaces simples 0148 Ya que los
enlaces simples de carbono-carbono son normalmente de 0154 nm esto indica el grado de
doble enlace en la mitad de enlace simple [4]
22 Aplicaciones
La produccioacuten de butadieno mundial estaacute dominada por las fracciones de craqueo por vapor
de C4 convirtieacutendose en la ruta ideal para maacutes del 95 de la produccioacuten de butadieno En la
Figura 3 se puede distinguir la situacioacuten mundial de butadieno en 1998 y destacar por
ejemplo que en el caso de Europa Occidental la materia especiacutefica de craqueo se centra en la
nafta El motivo de este dominio son los altos rendimientos conseguidos a traveacutes de este
medio sin embargo en la actualidad su aplicacioacuten ha disminuido ligeramente debido al
desarrollo de nuevas teacutecnicas de deshidrogenacioacuten oxidativa como se veraacute en los apartados
siguientes
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 [1]
El butadieno se usa principalmente como monoacutemero en la fabricacioacuten de cauchos o
elastoacutemeros sinteacuteticos como se aprecia en la Figura 4 suponiendo aproximadamente el 70
del uso de butadieno Entre los poliacutemeros destacados de esta aplicacioacuten son Estireno-
butadieno (SBR) caucho de polibutadieno (PBR) policloropreno (Neopreno) y caucho de
nitrilo (NBR) Ademaacutes como monoacutemero es importante como intermediario en la produccioacuten de
algunos productos quiacutemicos (gracias a su alta reactividad quiacutemica) Los cauchos anteriormente
mencionados se distinguiriacutean de la siguiente forma [4]
Caucho estireno-butadieno (SBR) se obtiene por la polimerizacioacuten de estireno y
butadieno constituyendo la mayor aplicacioacuten de butadieno El uso principal de SBR
5
estaacute en neumaacuteticos y en menor cantidad en adhesivos y selladores suelas de zapatos
revestimientos de alambre y cable
Polibutadieno (PB) producido por la polimerizacioacuten de butadieno es el segundo
monoacutemero maacutes usado Ademaacutes de coacutemo materia prima para neumaacuteticos el PB se
utiliza como producto intermedio en la produccioacuten de acrilonitrilo-butadieno-estireno
(ABS) y modificadores de impacto
Laacutetex Estireno-butadieno (SBL) se trata de una dispersioacuten acuosa estable que contiene
discretas partiacuteculas de poliacutemero de aproximadamente 005 a 5 microacutemetros de
diaacutemetro Entre sus aplicaciones consta la goma espuma (cojines esponjas) adhesivos
(pavimentos azulejos) selladores y revestimientos de papel
Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno (ABS) resinas ABS son mezclas de dos fases Se pueden
producir por polimerizacioacuten donde los homopoliacutemeros de polibutadieno se injertan en
un copoliacutemero de estierno-acronitrilo Estas resinas posee una amplia gama de
aplicaciones que incluyen de piezas de automoacuteviles teleacutefonos maacutequinas de oficina tales
como ordenadores y electrodomeacutesticos
Caucho de nitrilo (NBR) este caucho es producido en menor cantidad que los anteriores
y se obtiene a partir de la copolimerizacioacuten de acrilonitrilo y butadieno Este material se
utiliza en productos como mangueras tuberiacuteas de combustible adhesivos guantes y
calzado
Copoliacutemero de bloques de Estireno-butadieno (SBS Y SEBS) sus aplicaciones son incluidas
en aditivos para aceites lubricantes adhesivos aplicaciones de automocioacuten alimentos y
otro tipo de envases dispositivos meacutedicos
Metacrilato de metilo-butadieno-estireno (MMBS) su produccioacuten es maacutes escasa ya que
se dedica como modificador de impacto en piezas de automoacuteviles botellas y envases de
alimentos
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU 2000 (a la derecha) [45]
6
Ademaacutes de los poliacutemeros como se mencionoacute anteriormente el butadieno constituye distintos
intermediarios quiacutemicos En la figura 5 puede apreciarse los tipos de poliacutemeros enumerados y
los compuestos quiacutemicos principales como adiponitrilo cloropropano y sus posteriores
aplicaciones
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno [4]
23 Potencial de exposicioacuten
El butadieno forma parte en la produccioacuten de productos industriales y de consumo sin
embargo sobre la base de estos usos los individuos pueden estar expuestos de diferentes
formas [5]
Exposicioacuten Diaria es la exposicioacuten que afecta a los individuos que trabajan en
instalaciones de butadieno y plantas de productos que emplean este compuesto En
estas instalaciones se pueden enfrentar a las exposiciones maacutes comunes de butadieno
por fallo mecaacutenico de un sello de la bomba el paquete de la vaacutelvula conexioacuten de la
tuberiacutea o junta Sin embargo los responsables emplean sistemas de seguridad
restrictivos regulados y controlados por permisos y normas
7
Exposicioacuten del consumidor de producto conteniente en butadieno los consumidores
estaacuten expuestos a niveles bajos o no detectables de butadieno (butadieno no se vende
para uso de consumidores) a traveacutes de la ingesta de alimentos que estaban
almacenados en envases contenedores de butadieno
Emisiones al medio ambiente butadieno se libera en el medio ambiente tanto de
fuentes industriales y no industriales Ante cualquier emisioacuten el sistema de control se
centra en evitar cualquier probabilidad de incendio y controlar los derrames
reduciendo la contaminacioacuten de aire suelo y aguas superficiales o subterraacuteneas Su
alta presioacuten de vapor y la insolubilidad de agua hace que se acumule en el aire creando
un riesgo en la inhalacioacuten (de ahiacute es necesario proteccioacuten de las viacuteas respiratoria ante
cualquier derrame o fuga)
Riesgo para la salud
Contacto con los ojos butadieno liacutequido puede causar la congelacioacuten si entra en
contacto con los ojos y se evapora raacutepidamente Los vapores de butadieno pueden
causar irritacioacuten en los ojos causando incomodidad y enrojecimiento
Contacto con la piel butadieno no es irritante para la piel aunque el butadieno liacutequido
puede causar congelacioacuten si entra en contacto con la piel
Ingestioacuten es poco probable ya que el material es un gas a temperatura y presioacuten
ambiente Aunque el contacto con butadieno liacutequido podriacutea dar lugar a la congelacioacuten
de los labios
Inhalacioacuten zonas cerradas o poco ventilados los vapores de butadieno se pueden
acumular y causar inconsciencia y la muerte Las exposiciones excesivas pueden causar
irritacioacuten en el sistema respiratorio superior (nariz y garganta) o efectos en el sistema
nervioso central Los siacutentomas pueden incluir efectos anesteacutesicos o narcoacuteticos como
mareo o somnolencia
Exposicioacuten repetida exposiciones excesivas repetidas se han reportado efectos en los
rintildeones el hiacutegado los ovarios las viacuteas respiratorias y los testiacuteculos La exposicioacuten
excesiva puede causar dantildeo a los oacuterganos hematopoyeacuteticos (medula oacutesea y bazo)
Carcinogenecidad el butadieno aparece como un carcinoacutegeno humano por la Agencia
Internacional para la Investigacioacuten sobre el Caacutencer
24 Procesos comerciales de butadieno
La produccioacuten de butadieno desde su descubrimiento a traveacutes de la piroacutelisis de materiales
orgaacutenicos ha sido desarrollada a la misma vez que la industria petroquiacutemica En primer lugar
8
el butadieno era generado a partir del acetileno asiacute como del etanol No obstante la
importancia de estos procesos ha disminuido debido a la creciente produccioacuten de butadieno a
partir del petroacuteleo Se han desarrollado tres sistemas de produccioacuten a traveacutes de esta fuente
[1 24]
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
Es el camino maacutes utilizado para la produccioacuten de butadieno en paiacuteses como Estados Unidos
Oeste de Europa y Japoacuten representando aproximadamente el 91 del suministro mundial de
butadieno En este caso no existe una materia prima principal sino que tanto etano propano
butano nafta y gasoacuteleo se alimentan a una pirolisis (craqueo al vapor) de horno donde
combinado con vapor de agua alcanza temperaturas de entre aproximadamente 790-830ordmC
En este rango de temperatura los enlaces C-C y C-H se rompen produciendo hidrogeno
etileno propileno butadieno benceno tolueno y otros co-productos olefiacutenicos importantes
Despueacutes de la pirolisis se enfriacutea el resto de la planta separa los productos deseados en
distintos cortes de acuerdo a las especificaciones impuestas a cada uno de ellos A
continuacioacuten se aprecia en la Figura 6 un ejemplo de los distintos rendimientos de butadieno
respecto a distintas materias primas
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas [3]
La corriente de producto de butadieno crudo final alcanza concentraciones de hasta
aproximadamente un 75 en peso (esta concentracioacuten puede variar en funcioacuten de reciclo en el
sistema)
Como se puede distinguir en la liacutenea roja de la Figura 7 el butadieno experimenta una serie de
tratamientos posterior a su piroacutelisis como enfriamiento compresioacuten lavado secado y
finalmente un proceso de extraccioacuten para obtener la corriente final de butadieno
9
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking [3]
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
Esta deshidrogenacioacuten constituye parte principal del proceso y se constituye en dos etapas de
trabajo primero convirtiendo n-butano a n-butenos y luego a butadieno (etapas
endoteacutermicas) Estas zonas presentan ademaacutes de los reactores principales (trabajando
aproximadamente en rangos de P absoluta de 12-15 cmHg y T de 600-680ordmC) dos reactores
instalados de forma continua Se pueden apreciar en la Figura 8 el segundo reactor se
utilizariacutea para la regeneracioacuten de catalizador mientras que el tercer reactor es el encargado de
purgar antes de que empiece la regeneracioacuten (de esta manera se comporta como un sistema
continua de produccioacuten)
10
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno [3]
El tiempo de residencia de la alimentacioacuten en el reactor es de aproximadamente de 5 a 15
minutos Ademaacutes a la misma vez que va disminuyendo la temperatura en el lecho de
catalizador se va formando una capa de coque en el lecho Para hacer frente al problema del
coque este proceso posee un sistema de regeneracioacuten que emplea aire precalentado para
quemar esta deposicioacuten (a la misma vez aporta el calor necesario para alcanzar la temperatura
deseada) El efluente del reactor se somete a una serie de tratamientos primer lugar la
corriente se enfriacutea en una torre de enfriamiento posteriormente se comprime antes de la
alimentacioacuten al sistema de absorcioacutenstripper En este complejo de absorcioacuten se consigue un
concentrado de C4 para el sistema final de extraccioacuten de butadieno obteniendo una corriente
de producto de butadieno de gran pureza Esta ruta de proceso se trabaja a un rango de
conversioacuten de aproximadamente un 30-40 y un rendimiento total de 60-65
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
Es un sistema que ha reemplazado a muchos procesos antiguos de produccioacuten de butadieno
debido al desarrollo de varios procesos y sistemas de catalizadores de oxideshidrogenacioacuten de
cualquier n-butano o de n-buteno El 1-buteno es mucho maacutes reactivo y requiere condiciones
de operacioacuten menos severas que la de n-butano siendo el empleo de n-butano menos
eficiente Como recomendaciones en la oxideshidrogenacioacuten una mezcla de n-butenos aire y
vapor se hace pasar sobre un lecho de catalizador a baja presioacuten y aproximadamente de 500-
600ordmC El calor de la reaccioacuten exoteacutermica puede ser eliminado indirectamente mediante la
circulacioacuten de sal fundida o por un meacutetodo alternativo que consiste en antildeadir vapor de agua a
la alimentacioacuten (actuando como disipador de calor) En el proceso Oxo-D como se observa en
11
la Figura 9 una mezcla de aire vapor y 1-buteno se hace pasar sobre el catalizador de
deshidrogenacioacuten en un proceso continuo
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos [3]
Como parte final del proceso el efluente del reactor se enfriacutea y como en el sistema anterior
los componentes C4 se recuperan en un absorbedordesgasificadorstripper El aceite como
disolvente fluye desde los fondos del stripper y regresa al absorbedor aunque antes pasa
traveacutes de una zona de purificacioacuten de disolvente Para obtener la corriente de butadieno final
es necesario eliminar la cantidad de disolvente (aceite) por medio de un stripper y un sistema
de purificacioacuten para obtener la corriente final El rango de rendimiento y selectividad puede
variar entre 70-90 lo que hace innecesario recuperar o reciclar material de alimentacioacuten (la
formacioacuten de C02 como reaccioacuten secundaria puede producir la peacuterdida de rendimiento del
proceso)
12
3 Descripcioacuten del proceso
En el estudio de este proyecto y tras analizar cada una de las opciones de trabajo para la
deshidrogenacioacuten de n-butanos se ha decidido seguir un sistema de deshidrogenacioacuten en dos
etapas [13 67]
1) Deshidrogenacioacuten no oxidativa de los n-butanos para obtener n-butenos
2) Deshidrogenacioacuten oxidativa (oxideshidrogenacioacuten) de los n-butenos para producir
butadieno
Como ya se ha dicho con anterioridad existen tres caminos de produccioacuten de butadieno sin
embargo se considera principalmente debido a la necesidad de eficiencia implantar dos fases
distintas de deshidrogenacioacuten La primera fase que corresponde al proceso Catadiene que
consiste en una deshidrogenacioacuten no oxidativa del n-butano mientras que se complementa
con una zona de oxideshidrogenacioacuten de los n-butenos Se ha decidido tomar este sistema
debido a las siguientes razones
o Mayor conversioacuten y selectividad global gracias a la oxideshidrogenacioacuten el aporte de
oxiacutegeno permite eliminar parte de hidrogeno en forma de agua (rendimiento aprox de
65 y una selectividad de 93)
o Oxiacutegeno junto al vapor alimentado disminuye la coquizacioacuten del catalizador
o Bajo consumo de vapor respecto a la deshidrogenacioacuten no oxidativa
o Adicioacuten de oxiacutegeno en la deshidrogenacioacuten de n-butanos genera una gran cantidad de
productos indeseados debido a que a las altas temperaturas requeridas favorece la
reaccioacuten del oxiacutegeno
o Butenos son muchos maacutes reactivos de ahiacute que necesiten condiciones de operacioacuten
menos severas por lo que no es praacutectico la oxideshidrogenacioacuten del n-butano
Este sistema de deshidrogenacioacuten se dividiraacute en tres fases de procesamiento como se observa
en el diagrama de bloques de la Figura 10
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno (6)
13
En primer lugar este medio de produccioacuten parte de una corriente de n-butanos isobutano
propano y un porcentaje de hidrocarburos (C5) la cual necesita ser tratada para obtener una
corriente pura de n-butanos Este sistema presenta un tren de separacioacuten en primer lugar una
columna de destilacioacuten que lo separe en una corriente de n-butano y posteriormente
aprovechar la corriente de isobutanos con un reactor de isomerizacioacuten para generar maacutes n-
butano o como producto final para otros procesos Maacutes adelante en el proyecto se decidiraacute
que se haraacute con el isobutano
Una vez obtenida la corriente de n-butano se alimenta a la zona de deshidrogenacioacuten
encargada de deshidrogenizar para conseguir el butadieno Como ya se ha enunciado se
instalaraacuten dos zonas de deshidrogenacioacuten con condiciones de operacioacuten diferentes La
deshidrogenacioacuten no oxidativa de n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica trabajando
a un rango de temperatura de 600-700ordmC y una presioacuten de 05-8 bar (3) La reaccioacuten principal
en el primer reactor seriacutea la formacioacuten de buteno a traveacutes de la peacuterdida de hidroacutegeno de n-
butano para dar 1-buteno
C4H10 C4H8 (1-buteno) + H2
Para aportar el calor necesario de reaccioacuten se puede quemar in-situ el hidroacutegeno liberado
antildeadiendo una corriente de oxiacutegeno (aire) Suele ser necesario antildeadir hidroacutegeno adicional
externamente para satisfacer totalmente el calor de reaccioacuten
H2 + O2 H2O
Estas reacciones se catalizan selectivamente por catalizadores especializados a este sistema
Los catalizadores se pueden separar en dos partes fundamentales como soporte y composicioacuten
activa En primer lugar el soporte consiste generalmente en un oacutexido resistente al calor u
oacutexido mixto Los oacutexidos empleados preferentemente son los oacutexidos de aluminio oacutexido de
cromo o dioacutexido de silicio La composicioacuten activa de los catalizadores de deshidrogenacioacuten se
comprende generalmente en uno o maacutes metales del grupo de transicioacuten VII de la tabla
perioacutedica preferentemente platino yo paladio En este caso para este reactor se utiliza el
catalizador maacutes comuacuten que es una mezcla de oacutexido de aluminio y oacutexido de cromo Los
catalizadores de deshidrogenacioacuten en su funcioacuten se degeneran con la necesidad de montar un
reactor en paralelo que permita su regeneracioacuten de forma continua Ademaacutes como se observa
14
en el diagrama de bloques de la figura 10 es necesario la aplicacioacuten a estas zonas de
deshidrogenacioacuten de aire a traveacutes del lecho catalizador
Una vez obtenida la corriente de n-butenos se alimenta al segundo reactor con la diferencia
que necesita la alimentacioacuten de oxiacutegeno para la deshidrogenacioacuten oxidativa del 1-buteno La
adiccioacuten de oxigeno permite mejorar la conversioacuten y la selectividad de la deshidrogenacioacuten de
n-buteno eliminando el hidrogeno (7)
2 C4H8 + O2 2 C4H6 + 2 H2O (Reaccioacuten principal)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O (Reaccioacuten secundaria)
Como al igual que la deshidrogenacioacuten no oxidativa para la deshidrogenacioacuten del 1-buteno se
necesita un catalizador preferentemente un sistema de oacutexido multimetaacutelico Mo-Bi-Fe-O En
esta reaccioacuten aparece la formacioacuten de CO2 como reaccioacuten secundaria indeseada a partir del 1-
buteno Una vez obtenida la corriente final de butadieno n-butano no convertido y los demaacutes
co-productos se llevan a un tren de separacioacuten que consta de una columna de destilacioacuten
extractiva con un solvente En primer lugar la columna de destilacioacuten se separa el resto de
hidrocarburos (n-butanos sin reaccionar) por cabeza mientras que el 13-butadieno sale por
fondos Los fondos presentan gran cantidad de disolvente de ahiacute que utilicen una columna de
recuperacioacuten de disolvente para obtener el butadieno final
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
vii
viii
Resumen
El trabajo que se tiene lugar en este documento se basa en el estudio de viabilidad teacutecnica de
una planta de produccioacuten de butadieno a partir de la deshidrogenacioacuten de n-butanos Se
selecciona la produccioacuten anual de butadieno de una planta referente como criterio de disentildeo
Para llevar a cabo este estudio se emplea un programa de simulacioacuten que en este caso es
Aspen Plus 88
Las conclusiones relevantes de este trabajo es el empleo conjunto de dos rutas principales de
butadieno como es la deshidrogenacioacuten de n-butano y la oxideshidrogenacioacuten e n-butenos en
el proceso Ademaacutes se obtiene el disentildeo de los equipos maacutes representativos del proceso
estudiado asiacute como Columna de destilacioacuten bomba compresor reactor de
oxideshidrogenacioacuten e intercambiador de calor
ix
Abstract
The work takes place in this document is based on technical feasibility study of a production of
butadiene from the dehydrogenation of n-butane The annual production of butadiene is
selected as a reference plant design criteria To carry out this study it is realized with a
simulation program in this case Aspen Plus 88
The main conclusions of this work is the use of two main routes set butadiene as the
dehydrogenation of n-butane and oxidative dehydrogenation of n-butene in this process
Besides it is obtained the design of representative equipment Distillation column pump
compressor oxydehydrogenation reactor and heat exchanger
x
xi
Iacutendice
Agradecimientos ______________________________________________________ vi
Resumen ____________________________________________________________ viii
Abstract _____________________________________________________________ ix
Iacutendice _______________________________________________________________ xi
Iacutendice de Tablas ______________________________________________________ xiv
Iacutendice de Figuras _____________________________________________________ xvi
1 Alcance y objetivo __________________________________________________ 1
2 Introduccioacuten ______________________________________________________ 2
21 Caracteriacutesticas de butadieno ____________________________________________ 3
22 Aplicaciones _________________________________________________________ 4
23 Potencial de exposicioacuten ________________________________________________ 6
24 Procesos comerciales de butadieno ______________________________________ 7
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos _______________________________ 8
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry) _____________ 9
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno ____________________________________ 10
3 Descripcioacuten del proceso ____________________________________________ 12
31 Etapas de produccioacuten ________________________________________________ 15
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano _____________________________________ 15
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos _________________________ 15
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos ___________________________ 17
314 Separacioacuten de butadieno _________________________________________________ 18
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus ________________________________ 20
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten ______________________________ 20
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten _____________________________ 21
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano _________________________________________ 23
421 Modelo de simulacioacuten de reactores _________________________________________ 23
43 Integracioacuten energeacutetica _______________________________________________ 24
44 Equipos reguladores de presioacuten ________________________________________ 25
45 Destino final del isobutano separado ____________________________________ 26
xii
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos _______________________________ 28
51 Fase de tratamiento _________________________________________________ 31
511 Compresor (C-1) ________________________________________________________ 31
512 Columna de destilacioacuten (D-1) ______________________________________________ 36
513 Bomba (B-1)____________________________________________________________ 37
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3) _______________________________________ 39
52 Reactores de deshidrogenacioacuten ________________________________________ 42
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa ___________________________________ 42
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo ____________________________________ 43
53 Intercambiadores de calor ____________________________________________ 44
5 Bibliografiacutea ______________________________________________________ 47
xiii
xiv
Iacutendice de Tablas
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de tiempo de residencia normal de trabajo en reactores de
deshidrogenacioacuten no oxidativa 17
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos 18
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten 18
Tabla 4 Disolventes usaos industrialmente 19
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso 30
Tabla 6 Especificaciones de C-1 31
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1) 36
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1 37
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1 37
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2) 39
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2 40
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3) 40
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3 40
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten 41
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados 42
Tabla 16 Temperaturas de las corrientes en INT-1 44
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1 44
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2 45
Tabla 19 Temperaturas de las corrientes en INT-3 45
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4 45
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4 46
xv
xvi
Iacutendice de Figuras
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno 2
Figura 2 Propiedades de butadieno 3
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 4
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU
2000 (a la derecha) 5
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno 6
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas 8
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking 9
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno 10
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos 11
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno 12
Figura 11 Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten 15
Figura 12 Diagrama de proceso de la planta de butadieno 28
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados 34
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores 35
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso 36
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba 38
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH 39
xvii
1
1 Alcance y objetivo
En este proyecto se desarrolla la ingenieriacutea baacutesica de una planta de produccioacuten de butadieno a
partir de la deshidrogenacioacuten de n-butanos
El trabajo se centra en el estudio en profundidad del proceso de obtencioacuten de butadieno a
traveacutes de una de las rutas de proceso maacutes empleados en la actualidad deshidrogenacioacuten y
oxideshidrogenacioacuten Se marca como objetivo conocer primeramente las caracteriacutesticas del
butadieno y todas sus formas de produccioacuten para mostrar la utilidad que tiene esta ruta
actualmente A la misma vez se justifica la eleccioacuten del proceso elegido comparando las
distintas caracteriacutesticas de cada uno
En esta descripcioacuten del proceso se incluye un anaacutelisis global de cada una de las etapas para a
continuacioacuten especificar cada una de ellas Esta informacioacuten se utiliza para poder completar el
diagrama de proceso y constituir la simulacioacuten de una planta de butadieno Este trabajo
permite estudiar e investigar un proceso poco convencional y poner en praacutectica los
conocimientos estudiados Se lleva a cabo con el programa Aspen Plus donde se intenta
representar el diagrama tendiendo a todas las especificaciones impuestas y conseguir una
visioacuten real numeacuterica del proceso estudiado En este programa se pondraacute en praacutectica el uso de
balances de materia y energiacutea necesarios para comprender los resultados obtenidos Por
uacuteltimo se aprovechan los caacutelculos realizados en el simulador para disentildear los equipos maacutes
representativos en el sistema Para ello antes hay que disentildear un diagrama de proceso con las
directrices estudiadas tanto en la informacioacuten buscada como los conceptos adquiridos
Como criterio de disentildeo se fija una capacidad de produccioacuten acorde con una planta de
butadieno que utiliza como materia prima el n-butano ademaacutes de un disentildeo que represente
los equipos industriales necesarios comuacutenmente en este tipo de proceso Aunque se trata de
una ingenieriacutea baacutesica se decide durante la realizacioacuten del mismo no llevar a cabo el balance
econoacutemico de todo el proyecto ya que se considera prescindible debido a sus numerosas
praacutecticas durante la carrera
2
2 Introduccioacuten
El butadieno (se habla de 13 butadieno ya que conforma el hidrocarburo C4 insaturado maacutes
importante econoacutemicamente) es un producto importante de la industria petroquiacutemica Su
sencilla estructura quiacutemica (figura 1) combinada con su bajo peso molecular y alta reactividad
quiacutemica hace que sea un elemento muy uacutetil en la siacutentesis de otros materiales [1]
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno
Antes del desarrollo de la industria de butadieno el butadieno aparece en 1863 cuando el
quiacutemico franceacutes E Caventou aisloacute un hidrocarburo hasta ahora desconocido con la piroacutelisis de
alcohol amiacutelico Este hidrocarburo se identificoacute como butadieno en 1886 despueacutes de que
Henry Edward Amstronglo lo aislara de unos de los productos de la piroacutelisis de petroacuteleo En
1910 el quiacutemico ruso Sergei Lebedev polimerizoacute el butadieno obteniendo un material con
propiedades similares al caucho Este poliacutemero no fue lo suficiente adecuado para reemplazar
el caucho natural en muchas aplicaciones sobre todo en los neumaacuteticos del automoacutevil A partir
de ahiacute la industria de butadieno se centroacute en las necesidades de la Segunda Guerra Mundial
ya que las naciones combatientes como Alemania y Estados Unidos apostaron por disminuir la
dependencia de las industrias del caucho controladas por el Gobierno Britaacutenico [1]
Hasta la actualidad la produccioacuten mundial de butadieno ha estado ligada a la demanda de
manufacturacioacuten de neumaacuteticos Como estudios de 2015 reflejan por primera vez desde 2000
la produccioacuten europea de caucho sinteacutetico a partir de butadieno superoacute la demanda como
resultado de la contraccioacuten de la industria automoviliacutestica Este mismo estudio cifra que la
demanda europea fue de 2459778 toneladas mientras que la produccioacuten se situoacute en
2246137 toneladas Sin embargo observando el futuro de este producto se espera invertir la
situacioacuten superando la produccioacuten a la demanda por 162953 toneladas Ante esta situacioacuten las
3
empresas se mueven hacia un mercado de exportacioacuten con el objetivo de conseguir la
produccioacuten deseada Alguacuten ejemplo apreciable es la expansioacuten de la empresa alemana
LyondellBsell con su unidad de extraccioacuten en Wesseling Alemania y los planes de Versalis para
construir una nueva unidad de 70000 toneladasantildeo en su planta de Dunkerque Francia [2]
21 Caracteriacutesticas de butadieno
Este compuesto presenta propiedades quiacutemicas y fiacutesicas como gas inflamable incoloro con un
olor suave y aromaacutetico ademaacutes de ser altamente reactivo Es soluble en alcohol y eacuteter
insoluble en agua y se polimeriza faacutecilmente (en particular si el oxiacutegeno estaacute presente) Debido
a sus dobles enlaces conjugados pueden tomar parte en numerosas reacciones que incluyen
12- y 14- adicionales con siacute mismo (polimerizacioacuten) y de otros reactivos la dimerizacioacuten lineal
y de trimerizacioacuten y formacioacuten de anillo En la figura 2 siguiente muestra una tabla con las
propiedades principales de este compuesto
Figura 2 Propiedades de butadieno [3]
El 13-butadieno el dieno conjugado maacutes simple ha sido sometido a numerosos estudios para
comprender todas sus propiedades fiacutesicas y quiacutemicas La unioacuten de los dobles enlaces hace que
sea 15kJmol maacutes estable termodinaacutemicamente que una moleacutecula con dos enlaces simples La
4
longitud del doble enlace en 13-butadieno es 0134 nm y los enlaces simples 0148 Ya que los
enlaces simples de carbono-carbono son normalmente de 0154 nm esto indica el grado de
doble enlace en la mitad de enlace simple [4]
22 Aplicaciones
La produccioacuten de butadieno mundial estaacute dominada por las fracciones de craqueo por vapor
de C4 convirtieacutendose en la ruta ideal para maacutes del 95 de la produccioacuten de butadieno En la
Figura 3 se puede distinguir la situacioacuten mundial de butadieno en 1998 y destacar por
ejemplo que en el caso de Europa Occidental la materia especiacutefica de craqueo se centra en la
nafta El motivo de este dominio son los altos rendimientos conseguidos a traveacutes de este
medio sin embargo en la actualidad su aplicacioacuten ha disminuido ligeramente debido al
desarrollo de nuevas teacutecnicas de deshidrogenacioacuten oxidativa como se veraacute en los apartados
siguientes
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 [1]
El butadieno se usa principalmente como monoacutemero en la fabricacioacuten de cauchos o
elastoacutemeros sinteacuteticos como se aprecia en la Figura 4 suponiendo aproximadamente el 70
del uso de butadieno Entre los poliacutemeros destacados de esta aplicacioacuten son Estireno-
butadieno (SBR) caucho de polibutadieno (PBR) policloropreno (Neopreno) y caucho de
nitrilo (NBR) Ademaacutes como monoacutemero es importante como intermediario en la produccioacuten de
algunos productos quiacutemicos (gracias a su alta reactividad quiacutemica) Los cauchos anteriormente
mencionados se distinguiriacutean de la siguiente forma [4]
Caucho estireno-butadieno (SBR) se obtiene por la polimerizacioacuten de estireno y
butadieno constituyendo la mayor aplicacioacuten de butadieno El uso principal de SBR
5
estaacute en neumaacuteticos y en menor cantidad en adhesivos y selladores suelas de zapatos
revestimientos de alambre y cable
Polibutadieno (PB) producido por la polimerizacioacuten de butadieno es el segundo
monoacutemero maacutes usado Ademaacutes de coacutemo materia prima para neumaacuteticos el PB se
utiliza como producto intermedio en la produccioacuten de acrilonitrilo-butadieno-estireno
(ABS) y modificadores de impacto
Laacutetex Estireno-butadieno (SBL) se trata de una dispersioacuten acuosa estable que contiene
discretas partiacuteculas de poliacutemero de aproximadamente 005 a 5 microacutemetros de
diaacutemetro Entre sus aplicaciones consta la goma espuma (cojines esponjas) adhesivos
(pavimentos azulejos) selladores y revestimientos de papel
Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno (ABS) resinas ABS son mezclas de dos fases Se pueden
producir por polimerizacioacuten donde los homopoliacutemeros de polibutadieno se injertan en
un copoliacutemero de estierno-acronitrilo Estas resinas posee una amplia gama de
aplicaciones que incluyen de piezas de automoacuteviles teleacutefonos maacutequinas de oficina tales
como ordenadores y electrodomeacutesticos
Caucho de nitrilo (NBR) este caucho es producido en menor cantidad que los anteriores
y se obtiene a partir de la copolimerizacioacuten de acrilonitrilo y butadieno Este material se
utiliza en productos como mangueras tuberiacuteas de combustible adhesivos guantes y
calzado
Copoliacutemero de bloques de Estireno-butadieno (SBS Y SEBS) sus aplicaciones son incluidas
en aditivos para aceites lubricantes adhesivos aplicaciones de automocioacuten alimentos y
otro tipo de envases dispositivos meacutedicos
Metacrilato de metilo-butadieno-estireno (MMBS) su produccioacuten es maacutes escasa ya que
se dedica como modificador de impacto en piezas de automoacuteviles botellas y envases de
alimentos
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU 2000 (a la derecha) [45]
6
Ademaacutes de los poliacutemeros como se mencionoacute anteriormente el butadieno constituye distintos
intermediarios quiacutemicos En la figura 5 puede apreciarse los tipos de poliacutemeros enumerados y
los compuestos quiacutemicos principales como adiponitrilo cloropropano y sus posteriores
aplicaciones
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno [4]
23 Potencial de exposicioacuten
El butadieno forma parte en la produccioacuten de productos industriales y de consumo sin
embargo sobre la base de estos usos los individuos pueden estar expuestos de diferentes
formas [5]
Exposicioacuten Diaria es la exposicioacuten que afecta a los individuos que trabajan en
instalaciones de butadieno y plantas de productos que emplean este compuesto En
estas instalaciones se pueden enfrentar a las exposiciones maacutes comunes de butadieno
por fallo mecaacutenico de un sello de la bomba el paquete de la vaacutelvula conexioacuten de la
tuberiacutea o junta Sin embargo los responsables emplean sistemas de seguridad
restrictivos regulados y controlados por permisos y normas
7
Exposicioacuten del consumidor de producto conteniente en butadieno los consumidores
estaacuten expuestos a niveles bajos o no detectables de butadieno (butadieno no se vende
para uso de consumidores) a traveacutes de la ingesta de alimentos que estaban
almacenados en envases contenedores de butadieno
Emisiones al medio ambiente butadieno se libera en el medio ambiente tanto de
fuentes industriales y no industriales Ante cualquier emisioacuten el sistema de control se
centra en evitar cualquier probabilidad de incendio y controlar los derrames
reduciendo la contaminacioacuten de aire suelo y aguas superficiales o subterraacuteneas Su
alta presioacuten de vapor y la insolubilidad de agua hace que se acumule en el aire creando
un riesgo en la inhalacioacuten (de ahiacute es necesario proteccioacuten de las viacuteas respiratoria ante
cualquier derrame o fuga)
Riesgo para la salud
Contacto con los ojos butadieno liacutequido puede causar la congelacioacuten si entra en
contacto con los ojos y se evapora raacutepidamente Los vapores de butadieno pueden
causar irritacioacuten en los ojos causando incomodidad y enrojecimiento
Contacto con la piel butadieno no es irritante para la piel aunque el butadieno liacutequido
puede causar congelacioacuten si entra en contacto con la piel
Ingestioacuten es poco probable ya que el material es un gas a temperatura y presioacuten
ambiente Aunque el contacto con butadieno liacutequido podriacutea dar lugar a la congelacioacuten
de los labios
Inhalacioacuten zonas cerradas o poco ventilados los vapores de butadieno se pueden
acumular y causar inconsciencia y la muerte Las exposiciones excesivas pueden causar
irritacioacuten en el sistema respiratorio superior (nariz y garganta) o efectos en el sistema
nervioso central Los siacutentomas pueden incluir efectos anesteacutesicos o narcoacuteticos como
mareo o somnolencia
Exposicioacuten repetida exposiciones excesivas repetidas se han reportado efectos en los
rintildeones el hiacutegado los ovarios las viacuteas respiratorias y los testiacuteculos La exposicioacuten
excesiva puede causar dantildeo a los oacuterganos hematopoyeacuteticos (medula oacutesea y bazo)
Carcinogenecidad el butadieno aparece como un carcinoacutegeno humano por la Agencia
Internacional para la Investigacioacuten sobre el Caacutencer
24 Procesos comerciales de butadieno
La produccioacuten de butadieno desde su descubrimiento a traveacutes de la piroacutelisis de materiales
orgaacutenicos ha sido desarrollada a la misma vez que la industria petroquiacutemica En primer lugar
8
el butadieno era generado a partir del acetileno asiacute como del etanol No obstante la
importancia de estos procesos ha disminuido debido a la creciente produccioacuten de butadieno a
partir del petroacuteleo Se han desarrollado tres sistemas de produccioacuten a traveacutes de esta fuente
[1 24]
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
Es el camino maacutes utilizado para la produccioacuten de butadieno en paiacuteses como Estados Unidos
Oeste de Europa y Japoacuten representando aproximadamente el 91 del suministro mundial de
butadieno En este caso no existe una materia prima principal sino que tanto etano propano
butano nafta y gasoacuteleo se alimentan a una pirolisis (craqueo al vapor) de horno donde
combinado con vapor de agua alcanza temperaturas de entre aproximadamente 790-830ordmC
En este rango de temperatura los enlaces C-C y C-H se rompen produciendo hidrogeno
etileno propileno butadieno benceno tolueno y otros co-productos olefiacutenicos importantes
Despueacutes de la pirolisis se enfriacutea el resto de la planta separa los productos deseados en
distintos cortes de acuerdo a las especificaciones impuestas a cada uno de ellos A
continuacioacuten se aprecia en la Figura 6 un ejemplo de los distintos rendimientos de butadieno
respecto a distintas materias primas
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas [3]
La corriente de producto de butadieno crudo final alcanza concentraciones de hasta
aproximadamente un 75 en peso (esta concentracioacuten puede variar en funcioacuten de reciclo en el
sistema)
Como se puede distinguir en la liacutenea roja de la Figura 7 el butadieno experimenta una serie de
tratamientos posterior a su piroacutelisis como enfriamiento compresioacuten lavado secado y
finalmente un proceso de extraccioacuten para obtener la corriente final de butadieno
9
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking [3]
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
Esta deshidrogenacioacuten constituye parte principal del proceso y se constituye en dos etapas de
trabajo primero convirtiendo n-butano a n-butenos y luego a butadieno (etapas
endoteacutermicas) Estas zonas presentan ademaacutes de los reactores principales (trabajando
aproximadamente en rangos de P absoluta de 12-15 cmHg y T de 600-680ordmC) dos reactores
instalados de forma continua Se pueden apreciar en la Figura 8 el segundo reactor se
utilizariacutea para la regeneracioacuten de catalizador mientras que el tercer reactor es el encargado de
purgar antes de que empiece la regeneracioacuten (de esta manera se comporta como un sistema
continua de produccioacuten)
10
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno [3]
El tiempo de residencia de la alimentacioacuten en el reactor es de aproximadamente de 5 a 15
minutos Ademaacutes a la misma vez que va disminuyendo la temperatura en el lecho de
catalizador se va formando una capa de coque en el lecho Para hacer frente al problema del
coque este proceso posee un sistema de regeneracioacuten que emplea aire precalentado para
quemar esta deposicioacuten (a la misma vez aporta el calor necesario para alcanzar la temperatura
deseada) El efluente del reactor se somete a una serie de tratamientos primer lugar la
corriente se enfriacutea en una torre de enfriamiento posteriormente se comprime antes de la
alimentacioacuten al sistema de absorcioacutenstripper En este complejo de absorcioacuten se consigue un
concentrado de C4 para el sistema final de extraccioacuten de butadieno obteniendo una corriente
de producto de butadieno de gran pureza Esta ruta de proceso se trabaja a un rango de
conversioacuten de aproximadamente un 30-40 y un rendimiento total de 60-65
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
Es un sistema que ha reemplazado a muchos procesos antiguos de produccioacuten de butadieno
debido al desarrollo de varios procesos y sistemas de catalizadores de oxideshidrogenacioacuten de
cualquier n-butano o de n-buteno El 1-buteno es mucho maacutes reactivo y requiere condiciones
de operacioacuten menos severas que la de n-butano siendo el empleo de n-butano menos
eficiente Como recomendaciones en la oxideshidrogenacioacuten una mezcla de n-butenos aire y
vapor se hace pasar sobre un lecho de catalizador a baja presioacuten y aproximadamente de 500-
600ordmC El calor de la reaccioacuten exoteacutermica puede ser eliminado indirectamente mediante la
circulacioacuten de sal fundida o por un meacutetodo alternativo que consiste en antildeadir vapor de agua a
la alimentacioacuten (actuando como disipador de calor) En el proceso Oxo-D como se observa en
11
la Figura 9 una mezcla de aire vapor y 1-buteno se hace pasar sobre el catalizador de
deshidrogenacioacuten en un proceso continuo
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos [3]
Como parte final del proceso el efluente del reactor se enfriacutea y como en el sistema anterior
los componentes C4 se recuperan en un absorbedordesgasificadorstripper El aceite como
disolvente fluye desde los fondos del stripper y regresa al absorbedor aunque antes pasa
traveacutes de una zona de purificacioacuten de disolvente Para obtener la corriente de butadieno final
es necesario eliminar la cantidad de disolvente (aceite) por medio de un stripper y un sistema
de purificacioacuten para obtener la corriente final El rango de rendimiento y selectividad puede
variar entre 70-90 lo que hace innecesario recuperar o reciclar material de alimentacioacuten (la
formacioacuten de C02 como reaccioacuten secundaria puede producir la peacuterdida de rendimiento del
proceso)
12
3 Descripcioacuten del proceso
En el estudio de este proyecto y tras analizar cada una de las opciones de trabajo para la
deshidrogenacioacuten de n-butanos se ha decidido seguir un sistema de deshidrogenacioacuten en dos
etapas [13 67]
1) Deshidrogenacioacuten no oxidativa de los n-butanos para obtener n-butenos
2) Deshidrogenacioacuten oxidativa (oxideshidrogenacioacuten) de los n-butenos para producir
butadieno
Como ya se ha dicho con anterioridad existen tres caminos de produccioacuten de butadieno sin
embargo se considera principalmente debido a la necesidad de eficiencia implantar dos fases
distintas de deshidrogenacioacuten La primera fase que corresponde al proceso Catadiene que
consiste en una deshidrogenacioacuten no oxidativa del n-butano mientras que se complementa
con una zona de oxideshidrogenacioacuten de los n-butenos Se ha decidido tomar este sistema
debido a las siguientes razones
o Mayor conversioacuten y selectividad global gracias a la oxideshidrogenacioacuten el aporte de
oxiacutegeno permite eliminar parte de hidrogeno en forma de agua (rendimiento aprox de
65 y una selectividad de 93)
o Oxiacutegeno junto al vapor alimentado disminuye la coquizacioacuten del catalizador
o Bajo consumo de vapor respecto a la deshidrogenacioacuten no oxidativa
o Adicioacuten de oxiacutegeno en la deshidrogenacioacuten de n-butanos genera una gran cantidad de
productos indeseados debido a que a las altas temperaturas requeridas favorece la
reaccioacuten del oxiacutegeno
o Butenos son muchos maacutes reactivos de ahiacute que necesiten condiciones de operacioacuten
menos severas por lo que no es praacutectico la oxideshidrogenacioacuten del n-butano
Este sistema de deshidrogenacioacuten se dividiraacute en tres fases de procesamiento como se observa
en el diagrama de bloques de la Figura 10
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno (6)
13
En primer lugar este medio de produccioacuten parte de una corriente de n-butanos isobutano
propano y un porcentaje de hidrocarburos (C5) la cual necesita ser tratada para obtener una
corriente pura de n-butanos Este sistema presenta un tren de separacioacuten en primer lugar una
columna de destilacioacuten que lo separe en una corriente de n-butano y posteriormente
aprovechar la corriente de isobutanos con un reactor de isomerizacioacuten para generar maacutes n-
butano o como producto final para otros procesos Maacutes adelante en el proyecto se decidiraacute
que se haraacute con el isobutano
Una vez obtenida la corriente de n-butano se alimenta a la zona de deshidrogenacioacuten
encargada de deshidrogenizar para conseguir el butadieno Como ya se ha enunciado se
instalaraacuten dos zonas de deshidrogenacioacuten con condiciones de operacioacuten diferentes La
deshidrogenacioacuten no oxidativa de n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica trabajando
a un rango de temperatura de 600-700ordmC y una presioacuten de 05-8 bar (3) La reaccioacuten principal
en el primer reactor seriacutea la formacioacuten de buteno a traveacutes de la peacuterdida de hidroacutegeno de n-
butano para dar 1-buteno
C4H10 C4H8 (1-buteno) + H2
Para aportar el calor necesario de reaccioacuten se puede quemar in-situ el hidroacutegeno liberado
antildeadiendo una corriente de oxiacutegeno (aire) Suele ser necesario antildeadir hidroacutegeno adicional
externamente para satisfacer totalmente el calor de reaccioacuten
H2 + O2 H2O
Estas reacciones se catalizan selectivamente por catalizadores especializados a este sistema
Los catalizadores se pueden separar en dos partes fundamentales como soporte y composicioacuten
activa En primer lugar el soporte consiste generalmente en un oacutexido resistente al calor u
oacutexido mixto Los oacutexidos empleados preferentemente son los oacutexidos de aluminio oacutexido de
cromo o dioacutexido de silicio La composicioacuten activa de los catalizadores de deshidrogenacioacuten se
comprende generalmente en uno o maacutes metales del grupo de transicioacuten VII de la tabla
perioacutedica preferentemente platino yo paladio En este caso para este reactor se utiliza el
catalizador maacutes comuacuten que es una mezcla de oacutexido de aluminio y oacutexido de cromo Los
catalizadores de deshidrogenacioacuten en su funcioacuten se degeneran con la necesidad de montar un
reactor en paralelo que permita su regeneracioacuten de forma continua Ademaacutes como se observa
14
en el diagrama de bloques de la figura 10 es necesario la aplicacioacuten a estas zonas de
deshidrogenacioacuten de aire a traveacutes del lecho catalizador
Una vez obtenida la corriente de n-butenos se alimenta al segundo reactor con la diferencia
que necesita la alimentacioacuten de oxiacutegeno para la deshidrogenacioacuten oxidativa del 1-buteno La
adiccioacuten de oxigeno permite mejorar la conversioacuten y la selectividad de la deshidrogenacioacuten de
n-buteno eliminando el hidrogeno (7)
2 C4H8 + O2 2 C4H6 + 2 H2O (Reaccioacuten principal)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O (Reaccioacuten secundaria)
Como al igual que la deshidrogenacioacuten no oxidativa para la deshidrogenacioacuten del 1-buteno se
necesita un catalizador preferentemente un sistema de oacutexido multimetaacutelico Mo-Bi-Fe-O En
esta reaccioacuten aparece la formacioacuten de CO2 como reaccioacuten secundaria indeseada a partir del 1-
buteno Una vez obtenida la corriente final de butadieno n-butano no convertido y los demaacutes
co-productos se llevan a un tren de separacioacuten que consta de una columna de destilacioacuten
extractiva con un solvente En primer lugar la columna de destilacioacuten se separa el resto de
hidrocarburos (n-butanos sin reaccionar) por cabeza mientras que el 13-butadieno sale por
fondos Los fondos presentan gran cantidad de disolvente de ahiacute que utilicen una columna de
recuperacioacuten de disolvente para obtener el butadieno final
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
viii
Resumen
El trabajo que se tiene lugar en este documento se basa en el estudio de viabilidad teacutecnica de
una planta de produccioacuten de butadieno a partir de la deshidrogenacioacuten de n-butanos Se
selecciona la produccioacuten anual de butadieno de una planta referente como criterio de disentildeo
Para llevar a cabo este estudio se emplea un programa de simulacioacuten que en este caso es
Aspen Plus 88
Las conclusiones relevantes de este trabajo es el empleo conjunto de dos rutas principales de
butadieno como es la deshidrogenacioacuten de n-butano y la oxideshidrogenacioacuten e n-butenos en
el proceso Ademaacutes se obtiene el disentildeo de los equipos maacutes representativos del proceso
estudiado asiacute como Columna de destilacioacuten bomba compresor reactor de
oxideshidrogenacioacuten e intercambiador de calor
ix
Abstract
The work takes place in this document is based on technical feasibility study of a production of
butadiene from the dehydrogenation of n-butane The annual production of butadiene is
selected as a reference plant design criteria To carry out this study it is realized with a
simulation program in this case Aspen Plus 88
The main conclusions of this work is the use of two main routes set butadiene as the
dehydrogenation of n-butane and oxidative dehydrogenation of n-butene in this process
Besides it is obtained the design of representative equipment Distillation column pump
compressor oxydehydrogenation reactor and heat exchanger
x
xi
Iacutendice
Agradecimientos ______________________________________________________ vi
Resumen ____________________________________________________________ viii
Abstract _____________________________________________________________ ix
Iacutendice _______________________________________________________________ xi
Iacutendice de Tablas ______________________________________________________ xiv
Iacutendice de Figuras _____________________________________________________ xvi
1 Alcance y objetivo __________________________________________________ 1
2 Introduccioacuten ______________________________________________________ 2
21 Caracteriacutesticas de butadieno ____________________________________________ 3
22 Aplicaciones _________________________________________________________ 4
23 Potencial de exposicioacuten ________________________________________________ 6
24 Procesos comerciales de butadieno ______________________________________ 7
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos _______________________________ 8
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry) _____________ 9
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno ____________________________________ 10
3 Descripcioacuten del proceso ____________________________________________ 12
31 Etapas de produccioacuten ________________________________________________ 15
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano _____________________________________ 15
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos _________________________ 15
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos ___________________________ 17
314 Separacioacuten de butadieno _________________________________________________ 18
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus ________________________________ 20
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten ______________________________ 20
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten _____________________________ 21
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano _________________________________________ 23
421 Modelo de simulacioacuten de reactores _________________________________________ 23
43 Integracioacuten energeacutetica _______________________________________________ 24
44 Equipos reguladores de presioacuten ________________________________________ 25
45 Destino final del isobutano separado ____________________________________ 26
xii
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos _______________________________ 28
51 Fase de tratamiento _________________________________________________ 31
511 Compresor (C-1) ________________________________________________________ 31
512 Columna de destilacioacuten (D-1) ______________________________________________ 36
513 Bomba (B-1)____________________________________________________________ 37
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3) _______________________________________ 39
52 Reactores de deshidrogenacioacuten ________________________________________ 42
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa ___________________________________ 42
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo ____________________________________ 43
53 Intercambiadores de calor ____________________________________________ 44
5 Bibliografiacutea ______________________________________________________ 47
xiii
xiv
Iacutendice de Tablas
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de tiempo de residencia normal de trabajo en reactores de
deshidrogenacioacuten no oxidativa 17
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos 18
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten 18
Tabla 4 Disolventes usaos industrialmente 19
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso 30
Tabla 6 Especificaciones de C-1 31
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1) 36
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1 37
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1 37
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2) 39
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2 40
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3) 40
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3 40
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten 41
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados 42
Tabla 16 Temperaturas de las corrientes en INT-1 44
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1 44
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2 45
Tabla 19 Temperaturas de las corrientes en INT-3 45
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4 45
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4 46
xv
xvi
Iacutendice de Figuras
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno 2
Figura 2 Propiedades de butadieno 3
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 4
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU
2000 (a la derecha) 5
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno 6
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas 8
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking 9
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno 10
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos 11
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno 12
Figura 11 Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten 15
Figura 12 Diagrama de proceso de la planta de butadieno 28
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados 34
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores 35
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso 36
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba 38
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH 39
xvii
1
1 Alcance y objetivo
En este proyecto se desarrolla la ingenieriacutea baacutesica de una planta de produccioacuten de butadieno a
partir de la deshidrogenacioacuten de n-butanos
El trabajo se centra en el estudio en profundidad del proceso de obtencioacuten de butadieno a
traveacutes de una de las rutas de proceso maacutes empleados en la actualidad deshidrogenacioacuten y
oxideshidrogenacioacuten Se marca como objetivo conocer primeramente las caracteriacutesticas del
butadieno y todas sus formas de produccioacuten para mostrar la utilidad que tiene esta ruta
actualmente A la misma vez se justifica la eleccioacuten del proceso elegido comparando las
distintas caracteriacutesticas de cada uno
En esta descripcioacuten del proceso se incluye un anaacutelisis global de cada una de las etapas para a
continuacioacuten especificar cada una de ellas Esta informacioacuten se utiliza para poder completar el
diagrama de proceso y constituir la simulacioacuten de una planta de butadieno Este trabajo
permite estudiar e investigar un proceso poco convencional y poner en praacutectica los
conocimientos estudiados Se lleva a cabo con el programa Aspen Plus donde se intenta
representar el diagrama tendiendo a todas las especificaciones impuestas y conseguir una
visioacuten real numeacuterica del proceso estudiado En este programa se pondraacute en praacutectica el uso de
balances de materia y energiacutea necesarios para comprender los resultados obtenidos Por
uacuteltimo se aprovechan los caacutelculos realizados en el simulador para disentildear los equipos maacutes
representativos en el sistema Para ello antes hay que disentildear un diagrama de proceso con las
directrices estudiadas tanto en la informacioacuten buscada como los conceptos adquiridos
Como criterio de disentildeo se fija una capacidad de produccioacuten acorde con una planta de
butadieno que utiliza como materia prima el n-butano ademaacutes de un disentildeo que represente
los equipos industriales necesarios comuacutenmente en este tipo de proceso Aunque se trata de
una ingenieriacutea baacutesica se decide durante la realizacioacuten del mismo no llevar a cabo el balance
econoacutemico de todo el proyecto ya que se considera prescindible debido a sus numerosas
praacutecticas durante la carrera
2
2 Introduccioacuten
El butadieno (se habla de 13 butadieno ya que conforma el hidrocarburo C4 insaturado maacutes
importante econoacutemicamente) es un producto importante de la industria petroquiacutemica Su
sencilla estructura quiacutemica (figura 1) combinada con su bajo peso molecular y alta reactividad
quiacutemica hace que sea un elemento muy uacutetil en la siacutentesis de otros materiales [1]
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno
Antes del desarrollo de la industria de butadieno el butadieno aparece en 1863 cuando el
quiacutemico franceacutes E Caventou aisloacute un hidrocarburo hasta ahora desconocido con la piroacutelisis de
alcohol amiacutelico Este hidrocarburo se identificoacute como butadieno en 1886 despueacutes de que
Henry Edward Amstronglo lo aislara de unos de los productos de la piroacutelisis de petroacuteleo En
1910 el quiacutemico ruso Sergei Lebedev polimerizoacute el butadieno obteniendo un material con
propiedades similares al caucho Este poliacutemero no fue lo suficiente adecuado para reemplazar
el caucho natural en muchas aplicaciones sobre todo en los neumaacuteticos del automoacutevil A partir
de ahiacute la industria de butadieno se centroacute en las necesidades de la Segunda Guerra Mundial
ya que las naciones combatientes como Alemania y Estados Unidos apostaron por disminuir la
dependencia de las industrias del caucho controladas por el Gobierno Britaacutenico [1]
Hasta la actualidad la produccioacuten mundial de butadieno ha estado ligada a la demanda de
manufacturacioacuten de neumaacuteticos Como estudios de 2015 reflejan por primera vez desde 2000
la produccioacuten europea de caucho sinteacutetico a partir de butadieno superoacute la demanda como
resultado de la contraccioacuten de la industria automoviliacutestica Este mismo estudio cifra que la
demanda europea fue de 2459778 toneladas mientras que la produccioacuten se situoacute en
2246137 toneladas Sin embargo observando el futuro de este producto se espera invertir la
situacioacuten superando la produccioacuten a la demanda por 162953 toneladas Ante esta situacioacuten las
3
empresas se mueven hacia un mercado de exportacioacuten con el objetivo de conseguir la
produccioacuten deseada Alguacuten ejemplo apreciable es la expansioacuten de la empresa alemana
LyondellBsell con su unidad de extraccioacuten en Wesseling Alemania y los planes de Versalis para
construir una nueva unidad de 70000 toneladasantildeo en su planta de Dunkerque Francia [2]
21 Caracteriacutesticas de butadieno
Este compuesto presenta propiedades quiacutemicas y fiacutesicas como gas inflamable incoloro con un
olor suave y aromaacutetico ademaacutes de ser altamente reactivo Es soluble en alcohol y eacuteter
insoluble en agua y se polimeriza faacutecilmente (en particular si el oxiacutegeno estaacute presente) Debido
a sus dobles enlaces conjugados pueden tomar parte en numerosas reacciones que incluyen
12- y 14- adicionales con siacute mismo (polimerizacioacuten) y de otros reactivos la dimerizacioacuten lineal
y de trimerizacioacuten y formacioacuten de anillo En la figura 2 siguiente muestra una tabla con las
propiedades principales de este compuesto
Figura 2 Propiedades de butadieno [3]
El 13-butadieno el dieno conjugado maacutes simple ha sido sometido a numerosos estudios para
comprender todas sus propiedades fiacutesicas y quiacutemicas La unioacuten de los dobles enlaces hace que
sea 15kJmol maacutes estable termodinaacutemicamente que una moleacutecula con dos enlaces simples La
4
longitud del doble enlace en 13-butadieno es 0134 nm y los enlaces simples 0148 Ya que los
enlaces simples de carbono-carbono son normalmente de 0154 nm esto indica el grado de
doble enlace en la mitad de enlace simple [4]
22 Aplicaciones
La produccioacuten de butadieno mundial estaacute dominada por las fracciones de craqueo por vapor
de C4 convirtieacutendose en la ruta ideal para maacutes del 95 de la produccioacuten de butadieno En la
Figura 3 se puede distinguir la situacioacuten mundial de butadieno en 1998 y destacar por
ejemplo que en el caso de Europa Occidental la materia especiacutefica de craqueo se centra en la
nafta El motivo de este dominio son los altos rendimientos conseguidos a traveacutes de este
medio sin embargo en la actualidad su aplicacioacuten ha disminuido ligeramente debido al
desarrollo de nuevas teacutecnicas de deshidrogenacioacuten oxidativa como se veraacute en los apartados
siguientes
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 [1]
El butadieno se usa principalmente como monoacutemero en la fabricacioacuten de cauchos o
elastoacutemeros sinteacuteticos como se aprecia en la Figura 4 suponiendo aproximadamente el 70
del uso de butadieno Entre los poliacutemeros destacados de esta aplicacioacuten son Estireno-
butadieno (SBR) caucho de polibutadieno (PBR) policloropreno (Neopreno) y caucho de
nitrilo (NBR) Ademaacutes como monoacutemero es importante como intermediario en la produccioacuten de
algunos productos quiacutemicos (gracias a su alta reactividad quiacutemica) Los cauchos anteriormente
mencionados se distinguiriacutean de la siguiente forma [4]
Caucho estireno-butadieno (SBR) se obtiene por la polimerizacioacuten de estireno y
butadieno constituyendo la mayor aplicacioacuten de butadieno El uso principal de SBR
5
estaacute en neumaacuteticos y en menor cantidad en adhesivos y selladores suelas de zapatos
revestimientos de alambre y cable
Polibutadieno (PB) producido por la polimerizacioacuten de butadieno es el segundo
monoacutemero maacutes usado Ademaacutes de coacutemo materia prima para neumaacuteticos el PB se
utiliza como producto intermedio en la produccioacuten de acrilonitrilo-butadieno-estireno
(ABS) y modificadores de impacto
Laacutetex Estireno-butadieno (SBL) se trata de una dispersioacuten acuosa estable que contiene
discretas partiacuteculas de poliacutemero de aproximadamente 005 a 5 microacutemetros de
diaacutemetro Entre sus aplicaciones consta la goma espuma (cojines esponjas) adhesivos
(pavimentos azulejos) selladores y revestimientos de papel
Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno (ABS) resinas ABS son mezclas de dos fases Se pueden
producir por polimerizacioacuten donde los homopoliacutemeros de polibutadieno se injertan en
un copoliacutemero de estierno-acronitrilo Estas resinas posee una amplia gama de
aplicaciones que incluyen de piezas de automoacuteviles teleacutefonos maacutequinas de oficina tales
como ordenadores y electrodomeacutesticos
Caucho de nitrilo (NBR) este caucho es producido en menor cantidad que los anteriores
y se obtiene a partir de la copolimerizacioacuten de acrilonitrilo y butadieno Este material se
utiliza en productos como mangueras tuberiacuteas de combustible adhesivos guantes y
calzado
Copoliacutemero de bloques de Estireno-butadieno (SBS Y SEBS) sus aplicaciones son incluidas
en aditivos para aceites lubricantes adhesivos aplicaciones de automocioacuten alimentos y
otro tipo de envases dispositivos meacutedicos
Metacrilato de metilo-butadieno-estireno (MMBS) su produccioacuten es maacutes escasa ya que
se dedica como modificador de impacto en piezas de automoacuteviles botellas y envases de
alimentos
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU 2000 (a la derecha) [45]
6
Ademaacutes de los poliacutemeros como se mencionoacute anteriormente el butadieno constituye distintos
intermediarios quiacutemicos En la figura 5 puede apreciarse los tipos de poliacutemeros enumerados y
los compuestos quiacutemicos principales como adiponitrilo cloropropano y sus posteriores
aplicaciones
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno [4]
23 Potencial de exposicioacuten
El butadieno forma parte en la produccioacuten de productos industriales y de consumo sin
embargo sobre la base de estos usos los individuos pueden estar expuestos de diferentes
formas [5]
Exposicioacuten Diaria es la exposicioacuten que afecta a los individuos que trabajan en
instalaciones de butadieno y plantas de productos que emplean este compuesto En
estas instalaciones se pueden enfrentar a las exposiciones maacutes comunes de butadieno
por fallo mecaacutenico de un sello de la bomba el paquete de la vaacutelvula conexioacuten de la
tuberiacutea o junta Sin embargo los responsables emplean sistemas de seguridad
restrictivos regulados y controlados por permisos y normas
7
Exposicioacuten del consumidor de producto conteniente en butadieno los consumidores
estaacuten expuestos a niveles bajos o no detectables de butadieno (butadieno no se vende
para uso de consumidores) a traveacutes de la ingesta de alimentos que estaban
almacenados en envases contenedores de butadieno
Emisiones al medio ambiente butadieno se libera en el medio ambiente tanto de
fuentes industriales y no industriales Ante cualquier emisioacuten el sistema de control se
centra en evitar cualquier probabilidad de incendio y controlar los derrames
reduciendo la contaminacioacuten de aire suelo y aguas superficiales o subterraacuteneas Su
alta presioacuten de vapor y la insolubilidad de agua hace que se acumule en el aire creando
un riesgo en la inhalacioacuten (de ahiacute es necesario proteccioacuten de las viacuteas respiratoria ante
cualquier derrame o fuga)
Riesgo para la salud
Contacto con los ojos butadieno liacutequido puede causar la congelacioacuten si entra en
contacto con los ojos y se evapora raacutepidamente Los vapores de butadieno pueden
causar irritacioacuten en los ojos causando incomodidad y enrojecimiento
Contacto con la piel butadieno no es irritante para la piel aunque el butadieno liacutequido
puede causar congelacioacuten si entra en contacto con la piel
Ingestioacuten es poco probable ya que el material es un gas a temperatura y presioacuten
ambiente Aunque el contacto con butadieno liacutequido podriacutea dar lugar a la congelacioacuten
de los labios
Inhalacioacuten zonas cerradas o poco ventilados los vapores de butadieno se pueden
acumular y causar inconsciencia y la muerte Las exposiciones excesivas pueden causar
irritacioacuten en el sistema respiratorio superior (nariz y garganta) o efectos en el sistema
nervioso central Los siacutentomas pueden incluir efectos anesteacutesicos o narcoacuteticos como
mareo o somnolencia
Exposicioacuten repetida exposiciones excesivas repetidas se han reportado efectos en los
rintildeones el hiacutegado los ovarios las viacuteas respiratorias y los testiacuteculos La exposicioacuten
excesiva puede causar dantildeo a los oacuterganos hematopoyeacuteticos (medula oacutesea y bazo)
Carcinogenecidad el butadieno aparece como un carcinoacutegeno humano por la Agencia
Internacional para la Investigacioacuten sobre el Caacutencer
24 Procesos comerciales de butadieno
La produccioacuten de butadieno desde su descubrimiento a traveacutes de la piroacutelisis de materiales
orgaacutenicos ha sido desarrollada a la misma vez que la industria petroquiacutemica En primer lugar
8
el butadieno era generado a partir del acetileno asiacute como del etanol No obstante la
importancia de estos procesos ha disminuido debido a la creciente produccioacuten de butadieno a
partir del petroacuteleo Se han desarrollado tres sistemas de produccioacuten a traveacutes de esta fuente
[1 24]
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
Es el camino maacutes utilizado para la produccioacuten de butadieno en paiacuteses como Estados Unidos
Oeste de Europa y Japoacuten representando aproximadamente el 91 del suministro mundial de
butadieno En este caso no existe una materia prima principal sino que tanto etano propano
butano nafta y gasoacuteleo se alimentan a una pirolisis (craqueo al vapor) de horno donde
combinado con vapor de agua alcanza temperaturas de entre aproximadamente 790-830ordmC
En este rango de temperatura los enlaces C-C y C-H se rompen produciendo hidrogeno
etileno propileno butadieno benceno tolueno y otros co-productos olefiacutenicos importantes
Despueacutes de la pirolisis se enfriacutea el resto de la planta separa los productos deseados en
distintos cortes de acuerdo a las especificaciones impuestas a cada uno de ellos A
continuacioacuten se aprecia en la Figura 6 un ejemplo de los distintos rendimientos de butadieno
respecto a distintas materias primas
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas [3]
La corriente de producto de butadieno crudo final alcanza concentraciones de hasta
aproximadamente un 75 en peso (esta concentracioacuten puede variar en funcioacuten de reciclo en el
sistema)
Como se puede distinguir en la liacutenea roja de la Figura 7 el butadieno experimenta una serie de
tratamientos posterior a su piroacutelisis como enfriamiento compresioacuten lavado secado y
finalmente un proceso de extraccioacuten para obtener la corriente final de butadieno
9
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking [3]
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
Esta deshidrogenacioacuten constituye parte principal del proceso y se constituye en dos etapas de
trabajo primero convirtiendo n-butano a n-butenos y luego a butadieno (etapas
endoteacutermicas) Estas zonas presentan ademaacutes de los reactores principales (trabajando
aproximadamente en rangos de P absoluta de 12-15 cmHg y T de 600-680ordmC) dos reactores
instalados de forma continua Se pueden apreciar en la Figura 8 el segundo reactor se
utilizariacutea para la regeneracioacuten de catalizador mientras que el tercer reactor es el encargado de
purgar antes de que empiece la regeneracioacuten (de esta manera se comporta como un sistema
continua de produccioacuten)
10
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno [3]
El tiempo de residencia de la alimentacioacuten en el reactor es de aproximadamente de 5 a 15
minutos Ademaacutes a la misma vez que va disminuyendo la temperatura en el lecho de
catalizador se va formando una capa de coque en el lecho Para hacer frente al problema del
coque este proceso posee un sistema de regeneracioacuten que emplea aire precalentado para
quemar esta deposicioacuten (a la misma vez aporta el calor necesario para alcanzar la temperatura
deseada) El efluente del reactor se somete a una serie de tratamientos primer lugar la
corriente se enfriacutea en una torre de enfriamiento posteriormente se comprime antes de la
alimentacioacuten al sistema de absorcioacutenstripper En este complejo de absorcioacuten se consigue un
concentrado de C4 para el sistema final de extraccioacuten de butadieno obteniendo una corriente
de producto de butadieno de gran pureza Esta ruta de proceso se trabaja a un rango de
conversioacuten de aproximadamente un 30-40 y un rendimiento total de 60-65
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
Es un sistema que ha reemplazado a muchos procesos antiguos de produccioacuten de butadieno
debido al desarrollo de varios procesos y sistemas de catalizadores de oxideshidrogenacioacuten de
cualquier n-butano o de n-buteno El 1-buteno es mucho maacutes reactivo y requiere condiciones
de operacioacuten menos severas que la de n-butano siendo el empleo de n-butano menos
eficiente Como recomendaciones en la oxideshidrogenacioacuten una mezcla de n-butenos aire y
vapor se hace pasar sobre un lecho de catalizador a baja presioacuten y aproximadamente de 500-
600ordmC El calor de la reaccioacuten exoteacutermica puede ser eliminado indirectamente mediante la
circulacioacuten de sal fundida o por un meacutetodo alternativo que consiste en antildeadir vapor de agua a
la alimentacioacuten (actuando como disipador de calor) En el proceso Oxo-D como se observa en
11
la Figura 9 una mezcla de aire vapor y 1-buteno se hace pasar sobre el catalizador de
deshidrogenacioacuten en un proceso continuo
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos [3]
Como parte final del proceso el efluente del reactor se enfriacutea y como en el sistema anterior
los componentes C4 se recuperan en un absorbedordesgasificadorstripper El aceite como
disolvente fluye desde los fondos del stripper y regresa al absorbedor aunque antes pasa
traveacutes de una zona de purificacioacuten de disolvente Para obtener la corriente de butadieno final
es necesario eliminar la cantidad de disolvente (aceite) por medio de un stripper y un sistema
de purificacioacuten para obtener la corriente final El rango de rendimiento y selectividad puede
variar entre 70-90 lo que hace innecesario recuperar o reciclar material de alimentacioacuten (la
formacioacuten de C02 como reaccioacuten secundaria puede producir la peacuterdida de rendimiento del
proceso)
12
3 Descripcioacuten del proceso
En el estudio de este proyecto y tras analizar cada una de las opciones de trabajo para la
deshidrogenacioacuten de n-butanos se ha decidido seguir un sistema de deshidrogenacioacuten en dos
etapas [13 67]
1) Deshidrogenacioacuten no oxidativa de los n-butanos para obtener n-butenos
2) Deshidrogenacioacuten oxidativa (oxideshidrogenacioacuten) de los n-butenos para producir
butadieno
Como ya se ha dicho con anterioridad existen tres caminos de produccioacuten de butadieno sin
embargo se considera principalmente debido a la necesidad de eficiencia implantar dos fases
distintas de deshidrogenacioacuten La primera fase que corresponde al proceso Catadiene que
consiste en una deshidrogenacioacuten no oxidativa del n-butano mientras que se complementa
con una zona de oxideshidrogenacioacuten de los n-butenos Se ha decidido tomar este sistema
debido a las siguientes razones
o Mayor conversioacuten y selectividad global gracias a la oxideshidrogenacioacuten el aporte de
oxiacutegeno permite eliminar parte de hidrogeno en forma de agua (rendimiento aprox de
65 y una selectividad de 93)
o Oxiacutegeno junto al vapor alimentado disminuye la coquizacioacuten del catalizador
o Bajo consumo de vapor respecto a la deshidrogenacioacuten no oxidativa
o Adicioacuten de oxiacutegeno en la deshidrogenacioacuten de n-butanos genera una gran cantidad de
productos indeseados debido a que a las altas temperaturas requeridas favorece la
reaccioacuten del oxiacutegeno
o Butenos son muchos maacutes reactivos de ahiacute que necesiten condiciones de operacioacuten
menos severas por lo que no es praacutectico la oxideshidrogenacioacuten del n-butano
Este sistema de deshidrogenacioacuten se dividiraacute en tres fases de procesamiento como se observa
en el diagrama de bloques de la Figura 10
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno (6)
13
En primer lugar este medio de produccioacuten parte de una corriente de n-butanos isobutano
propano y un porcentaje de hidrocarburos (C5) la cual necesita ser tratada para obtener una
corriente pura de n-butanos Este sistema presenta un tren de separacioacuten en primer lugar una
columna de destilacioacuten que lo separe en una corriente de n-butano y posteriormente
aprovechar la corriente de isobutanos con un reactor de isomerizacioacuten para generar maacutes n-
butano o como producto final para otros procesos Maacutes adelante en el proyecto se decidiraacute
que se haraacute con el isobutano
Una vez obtenida la corriente de n-butano se alimenta a la zona de deshidrogenacioacuten
encargada de deshidrogenizar para conseguir el butadieno Como ya se ha enunciado se
instalaraacuten dos zonas de deshidrogenacioacuten con condiciones de operacioacuten diferentes La
deshidrogenacioacuten no oxidativa de n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica trabajando
a un rango de temperatura de 600-700ordmC y una presioacuten de 05-8 bar (3) La reaccioacuten principal
en el primer reactor seriacutea la formacioacuten de buteno a traveacutes de la peacuterdida de hidroacutegeno de n-
butano para dar 1-buteno
C4H10 C4H8 (1-buteno) + H2
Para aportar el calor necesario de reaccioacuten se puede quemar in-situ el hidroacutegeno liberado
antildeadiendo una corriente de oxiacutegeno (aire) Suele ser necesario antildeadir hidroacutegeno adicional
externamente para satisfacer totalmente el calor de reaccioacuten
H2 + O2 H2O
Estas reacciones se catalizan selectivamente por catalizadores especializados a este sistema
Los catalizadores se pueden separar en dos partes fundamentales como soporte y composicioacuten
activa En primer lugar el soporte consiste generalmente en un oacutexido resistente al calor u
oacutexido mixto Los oacutexidos empleados preferentemente son los oacutexidos de aluminio oacutexido de
cromo o dioacutexido de silicio La composicioacuten activa de los catalizadores de deshidrogenacioacuten se
comprende generalmente en uno o maacutes metales del grupo de transicioacuten VII de la tabla
perioacutedica preferentemente platino yo paladio En este caso para este reactor se utiliza el
catalizador maacutes comuacuten que es una mezcla de oacutexido de aluminio y oacutexido de cromo Los
catalizadores de deshidrogenacioacuten en su funcioacuten se degeneran con la necesidad de montar un
reactor en paralelo que permita su regeneracioacuten de forma continua Ademaacutes como se observa
14
en el diagrama de bloques de la figura 10 es necesario la aplicacioacuten a estas zonas de
deshidrogenacioacuten de aire a traveacutes del lecho catalizador
Una vez obtenida la corriente de n-butenos se alimenta al segundo reactor con la diferencia
que necesita la alimentacioacuten de oxiacutegeno para la deshidrogenacioacuten oxidativa del 1-buteno La
adiccioacuten de oxigeno permite mejorar la conversioacuten y la selectividad de la deshidrogenacioacuten de
n-buteno eliminando el hidrogeno (7)
2 C4H8 + O2 2 C4H6 + 2 H2O (Reaccioacuten principal)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O (Reaccioacuten secundaria)
Como al igual que la deshidrogenacioacuten no oxidativa para la deshidrogenacioacuten del 1-buteno se
necesita un catalizador preferentemente un sistema de oacutexido multimetaacutelico Mo-Bi-Fe-O En
esta reaccioacuten aparece la formacioacuten de CO2 como reaccioacuten secundaria indeseada a partir del 1-
buteno Una vez obtenida la corriente final de butadieno n-butano no convertido y los demaacutes
co-productos se llevan a un tren de separacioacuten que consta de una columna de destilacioacuten
extractiva con un solvente En primer lugar la columna de destilacioacuten se separa el resto de
hidrocarburos (n-butanos sin reaccionar) por cabeza mientras que el 13-butadieno sale por
fondos Los fondos presentan gran cantidad de disolvente de ahiacute que utilicen una columna de
recuperacioacuten de disolvente para obtener el butadieno final
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
ix
Abstract
The work takes place in this document is based on technical feasibility study of a production of
butadiene from the dehydrogenation of n-butane The annual production of butadiene is
selected as a reference plant design criteria To carry out this study it is realized with a
simulation program in this case Aspen Plus 88
The main conclusions of this work is the use of two main routes set butadiene as the
dehydrogenation of n-butane and oxidative dehydrogenation of n-butene in this process
Besides it is obtained the design of representative equipment Distillation column pump
compressor oxydehydrogenation reactor and heat exchanger
x
xi
Iacutendice
Agradecimientos ______________________________________________________ vi
Resumen ____________________________________________________________ viii
Abstract _____________________________________________________________ ix
Iacutendice _______________________________________________________________ xi
Iacutendice de Tablas ______________________________________________________ xiv
Iacutendice de Figuras _____________________________________________________ xvi
1 Alcance y objetivo __________________________________________________ 1
2 Introduccioacuten ______________________________________________________ 2
21 Caracteriacutesticas de butadieno ____________________________________________ 3
22 Aplicaciones _________________________________________________________ 4
23 Potencial de exposicioacuten ________________________________________________ 6
24 Procesos comerciales de butadieno ______________________________________ 7
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos _______________________________ 8
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry) _____________ 9
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno ____________________________________ 10
3 Descripcioacuten del proceso ____________________________________________ 12
31 Etapas de produccioacuten ________________________________________________ 15
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano _____________________________________ 15
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos _________________________ 15
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos ___________________________ 17
314 Separacioacuten de butadieno _________________________________________________ 18
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus ________________________________ 20
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten ______________________________ 20
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten _____________________________ 21
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano _________________________________________ 23
421 Modelo de simulacioacuten de reactores _________________________________________ 23
43 Integracioacuten energeacutetica _______________________________________________ 24
44 Equipos reguladores de presioacuten ________________________________________ 25
45 Destino final del isobutano separado ____________________________________ 26
xii
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos _______________________________ 28
51 Fase de tratamiento _________________________________________________ 31
511 Compresor (C-1) ________________________________________________________ 31
512 Columna de destilacioacuten (D-1) ______________________________________________ 36
513 Bomba (B-1)____________________________________________________________ 37
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3) _______________________________________ 39
52 Reactores de deshidrogenacioacuten ________________________________________ 42
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa ___________________________________ 42
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo ____________________________________ 43
53 Intercambiadores de calor ____________________________________________ 44
5 Bibliografiacutea ______________________________________________________ 47
xiii
xiv
Iacutendice de Tablas
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de tiempo de residencia normal de trabajo en reactores de
deshidrogenacioacuten no oxidativa 17
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos 18
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten 18
Tabla 4 Disolventes usaos industrialmente 19
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso 30
Tabla 6 Especificaciones de C-1 31
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1) 36
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1 37
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1 37
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2) 39
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2 40
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3) 40
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3 40
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten 41
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados 42
Tabla 16 Temperaturas de las corrientes en INT-1 44
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1 44
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2 45
Tabla 19 Temperaturas de las corrientes en INT-3 45
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4 45
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4 46
xv
xvi
Iacutendice de Figuras
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno 2
Figura 2 Propiedades de butadieno 3
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 4
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU
2000 (a la derecha) 5
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno 6
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas 8
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking 9
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno 10
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos 11
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno 12
Figura 11 Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten 15
Figura 12 Diagrama de proceso de la planta de butadieno 28
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados 34
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores 35
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso 36
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba 38
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH 39
xvii
1
1 Alcance y objetivo
En este proyecto se desarrolla la ingenieriacutea baacutesica de una planta de produccioacuten de butadieno a
partir de la deshidrogenacioacuten de n-butanos
El trabajo se centra en el estudio en profundidad del proceso de obtencioacuten de butadieno a
traveacutes de una de las rutas de proceso maacutes empleados en la actualidad deshidrogenacioacuten y
oxideshidrogenacioacuten Se marca como objetivo conocer primeramente las caracteriacutesticas del
butadieno y todas sus formas de produccioacuten para mostrar la utilidad que tiene esta ruta
actualmente A la misma vez se justifica la eleccioacuten del proceso elegido comparando las
distintas caracteriacutesticas de cada uno
En esta descripcioacuten del proceso se incluye un anaacutelisis global de cada una de las etapas para a
continuacioacuten especificar cada una de ellas Esta informacioacuten se utiliza para poder completar el
diagrama de proceso y constituir la simulacioacuten de una planta de butadieno Este trabajo
permite estudiar e investigar un proceso poco convencional y poner en praacutectica los
conocimientos estudiados Se lleva a cabo con el programa Aspen Plus donde se intenta
representar el diagrama tendiendo a todas las especificaciones impuestas y conseguir una
visioacuten real numeacuterica del proceso estudiado En este programa se pondraacute en praacutectica el uso de
balances de materia y energiacutea necesarios para comprender los resultados obtenidos Por
uacuteltimo se aprovechan los caacutelculos realizados en el simulador para disentildear los equipos maacutes
representativos en el sistema Para ello antes hay que disentildear un diagrama de proceso con las
directrices estudiadas tanto en la informacioacuten buscada como los conceptos adquiridos
Como criterio de disentildeo se fija una capacidad de produccioacuten acorde con una planta de
butadieno que utiliza como materia prima el n-butano ademaacutes de un disentildeo que represente
los equipos industriales necesarios comuacutenmente en este tipo de proceso Aunque se trata de
una ingenieriacutea baacutesica se decide durante la realizacioacuten del mismo no llevar a cabo el balance
econoacutemico de todo el proyecto ya que se considera prescindible debido a sus numerosas
praacutecticas durante la carrera
2
2 Introduccioacuten
El butadieno (se habla de 13 butadieno ya que conforma el hidrocarburo C4 insaturado maacutes
importante econoacutemicamente) es un producto importante de la industria petroquiacutemica Su
sencilla estructura quiacutemica (figura 1) combinada con su bajo peso molecular y alta reactividad
quiacutemica hace que sea un elemento muy uacutetil en la siacutentesis de otros materiales [1]
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno
Antes del desarrollo de la industria de butadieno el butadieno aparece en 1863 cuando el
quiacutemico franceacutes E Caventou aisloacute un hidrocarburo hasta ahora desconocido con la piroacutelisis de
alcohol amiacutelico Este hidrocarburo se identificoacute como butadieno en 1886 despueacutes de que
Henry Edward Amstronglo lo aislara de unos de los productos de la piroacutelisis de petroacuteleo En
1910 el quiacutemico ruso Sergei Lebedev polimerizoacute el butadieno obteniendo un material con
propiedades similares al caucho Este poliacutemero no fue lo suficiente adecuado para reemplazar
el caucho natural en muchas aplicaciones sobre todo en los neumaacuteticos del automoacutevil A partir
de ahiacute la industria de butadieno se centroacute en las necesidades de la Segunda Guerra Mundial
ya que las naciones combatientes como Alemania y Estados Unidos apostaron por disminuir la
dependencia de las industrias del caucho controladas por el Gobierno Britaacutenico [1]
Hasta la actualidad la produccioacuten mundial de butadieno ha estado ligada a la demanda de
manufacturacioacuten de neumaacuteticos Como estudios de 2015 reflejan por primera vez desde 2000
la produccioacuten europea de caucho sinteacutetico a partir de butadieno superoacute la demanda como
resultado de la contraccioacuten de la industria automoviliacutestica Este mismo estudio cifra que la
demanda europea fue de 2459778 toneladas mientras que la produccioacuten se situoacute en
2246137 toneladas Sin embargo observando el futuro de este producto se espera invertir la
situacioacuten superando la produccioacuten a la demanda por 162953 toneladas Ante esta situacioacuten las
3
empresas se mueven hacia un mercado de exportacioacuten con el objetivo de conseguir la
produccioacuten deseada Alguacuten ejemplo apreciable es la expansioacuten de la empresa alemana
LyondellBsell con su unidad de extraccioacuten en Wesseling Alemania y los planes de Versalis para
construir una nueva unidad de 70000 toneladasantildeo en su planta de Dunkerque Francia [2]
21 Caracteriacutesticas de butadieno
Este compuesto presenta propiedades quiacutemicas y fiacutesicas como gas inflamable incoloro con un
olor suave y aromaacutetico ademaacutes de ser altamente reactivo Es soluble en alcohol y eacuteter
insoluble en agua y se polimeriza faacutecilmente (en particular si el oxiacutegeno estaacute presente) Debido
a sus dobles enlaces conjugados pueden tomar parte en numerosas reacciones que incluyen
12- y 14- adicionales con siacute mismo (polimerizacioacuten) y de otros reactivos la dimerizacioacuten lineal
y de trimerizacioacuten y formacioacuten de anillo En la figura 2 siguiente muestra una tabla con las
propiedades principales de este compuesto
Figura 2 Propiedades de butadieno [3]
El 13-butadieno el dieno conjugado maacutes simple ha sido sometido a numerosos estudios para
comprender todas sus propiedades fiacutesicas y quiacutemicas La unioacuten de los dobles enlaces hace que
sea 15kJmol maacutes estable termodinaacutemicamente que una moleacutecula con dos enlaces simples La
4
longitud del doble enlace en 13-butadieno es 0134 nm y los enlaces simples 0148 Ya que los
enlaces simples de carbono-carbono son normalmente de 0154 nm esto indica el grado de
doble enlace en la mitad de enlace simple [4]
22 Aplicaciones
La produccioacuten de butadieno mundial estaacute dominada por las fracciones de craqueo por vapor
de C4 convirtieacutendose en la ruta ideal para maacutes del 95 de la produccioacuten de butadieno En la
Figura 3 se puede distinguir la situacioacuten mundial de butadieno en 1998 y destacar por
ejemplo que en el caso de Europa Occidental la materia especiacutefica de craqueo se centra en la
nafta El motivo de este dominio son los altos rendimientos conseguidos a traveacutes de este
medio sin embargo en la actualidad su aplicacioacuten ha disminuido ligeramente debido al
desarrollo de nuevas teacutecnicas de deshidrogenacioacuten oxidativa como se veraacute en los apartados
siguientes
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 [1]
El butadieno se usa principalmente como monoacutemero en la fabricacioacuten de cauchos o
elastoacutemeros sinteacuteticos como se aprecia en la Figura 4 suponiendo aproximadamente el 70
del uso de butadieno Entre los poliacutemeros destacados de esta aplicacioacuten son Estireno-
butadieno (SBR) caucho de polibutadieno (PBR) policloropreno (Neopreno) y caucho de
nitrilo (NBR) Ademaacutes como monoacutemero es importante como intermediario en la produccioacuten de
algunos productos quiacutemicos (gracias a su alta reactividad quiacutemica) Los cauchos anteriormente
mencionados se distinguiriacutean de la siguiente forma [4]
Caucho estireno-butadieno (SBR) se obtiene por la polimerizacioacuten de estireno y
butadieno constituyendo la mayor aplicacioacuten de butadieno El uso principal de SBR
5
estaacute en neumaacuteticos y en menor cantidad en adhesivos y selladores suelas de zapatos
revestimientos de alambre y cable
Polibutadieno (PB) producido por la polimerizacioacuten de butadieno es el segundo
monoacutemero maacutes usado Ademaacutes de coacutemo materia prima para neumaacuteticos el PB se
utiliza como producto intermedio en la produccioacuten de acrilonitrilo-butadieno-estireno
(ABS) y modificadores de impacto
Laacutetex Estireno-butadieno (SBL) se trata de una dispersioacuten acuosa estable que contiene
discretas partiacuteculas de poliacutemero de aproximadamente 005 a 5 microacutemetros de
diaacutemetro Entre sus aplicaciones consta la goma espuma (cojines esponjas) adhesivos
(pavimentos azulejos) selladores y revestimientos de papel
Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno (ABS) resinas ABS son mezclas de dos fases Se pueden
producir por polimerizacioacuten donde los homopoliacutemeros de polibutadieno se injertan en
un copoliacutemero de estierno-acronitrilo Estas resinas posee una amplia gama de
aplicaciones que incluyen de piezas de automoacuteviles teleacutefonos maacutequinas de oficina tales
como ordenadores y electrodomeacutesticos
Caucho de nitrilo (NBR) este caucho es producido en menor cantidad que los anteriores
y se obtiene a partir de la copolimerizacioacuten de acrilonitrilo y butadieno Este material se
utiliza en productos como mangueras tuberiacuteas de combustible adhesivos guantes y
calzado
Copoliacutemero de bloques de Estireno-butadieno (SBS Y SEBS) sus aplicaciones son incluidas
en aditivos para aceites lubricantes adhesivos aplicaciones de automocioacuten alimentos y
otro tipo de envases dispositivos meacutedicos
Metacrilato de metilo-butadieno-estireno (MMBS) su produccioacuten es maacutes escasa ya que
se dedica como modificador de impacto en piezas de automoacuteviles botellas y envases de
alimentos
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU 2000 (a la derecha) [45]
6
Ademaacutes de los poliacutemeros como se mencionoacute anteriormente el butadieno constituye distintos
intermediarios quiacutemicos En la figura 5 puede apreciarse los tipos de poliacutemeros enumerados y
los compuestos quiacutemicos principales como adiponitrilo cloropropano y sus posteriores
aplicaciones
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno [4]
23 Potencial de exposicioacuten
El butadieno forma parte en la produccioacuten de productos industriales y de consumo sin
embargo sobre la base de estos usos los individuos pueden estar expuestos de diferentes
formas [5]
Exposicioacuten Diaria es la exposicioacuten que afecta a los individuos que trabajan en
instalaciones de butadieno y plantas de productos que emplean este compuesto En
estas instalaciones se pueden enfrentar a las exposiciones maacutes comunes de butadieno
por fallo mecaacutenico de un sello de la bomba el paquete de la vaacutelvula conexioacuten de la
tuberiacutea o junta Sin embargo los responsables emplean sistemas de seguridad
restrictivos regulados y controlados por permisos y normas
7
Exposicioacuten del consumidor de producto conteniente en butadieno los consumidores
estaacuten expuestos a niveles bajos o no detectables de butadieno (butadieno no se vende
para uso de consumidores) a traveacutes de la ingesta de alimentos que estaban
almacenados en envases contenedores de butadieno
Emisiones al medio ambiente butadieno se libera en el medio ambiente tanto de
fuentes industriales y no industriales Ante cualquier emisioacuten el sistema de control se
centra en evitar cualquier probabilidad de incendio y controlar los derrames
reduciendo la contaminacioacuten de aire suelo y aguas superficiales o subterraacuteneas Su
alta presioacuten de vapor y la insolubilidad de agua hace que se acumule en el aire creando
un riesgo en la inhalacioacuten (de ahiacute es necesario proteccioacuten de las viacuteas respiratoria ante
cualquier derrame o fuga)
Riesgo para la salud
Contacto con los ojos butadieno liacutequido puede causar la congelacioacuten si entra en
contacto con los ojos y se evapora raacutepidamente Los vapores de butadieno pueden
causar irritacioacuten en los ojos causando incomodidad y enrojecimiento
Contacto con la piel butadieno no es irritante para la piel aunque el butadieno liacutequido
puede causar congelacioacuten si entra en contacto con la piel
Ingestioacuten es poco probable ya que el material es un gas a temperatura y presioacuten
ambiente Aunque el contacto con butadieno liacutequido podriacutea dar lugar a la congelacioacuten
de los labios
Inhalacioacuten zonas cerradas o poco ventilados los vapores de butadieno se pueden
acumular y causar inconsciencia y la muerte Las exposiciones excesivas pueden causar
irritacioacuten en el sistema respiratorio superior (nariz y garganta) o efectos en el sistema
nervioso central Los siacutentomas pueden incluir efectos anesteacutesicos o narcoacuteticos como
mareo o somnolencia
Exposicioacuten repetida exposiciones excesivas repetidas se han reportado efectos en los
rintildeones el hiacutegado los ovarios las viacuteas respiratorias y los testiacuteculos La exposicioacuten
excesiva puede causar dantildeo a los oacuterganos hematopoyeacuteticos (medula oacutesea y bazo)
Carcinogenecidad el butadieno aparece como un carcinoacutegeno humano por la Agencia
Internacional para la Investigacioacuten sobre el Caacutencer
24 Procesos comerciales de butadieno
La produccioacuten de butadieno desde su descubrimiento a traveacutes de la piroacutelisis de materiales
orgaacutenicos ha sido desarrollada a la misma vez que la industria petroquiacutemica En primer lugar
8
el butadieno era generado a partir del acetileno asiacute como del etanol No obstante la
importancia de estos procesos ha disminuido debido a la creciente produccioacuten de butadieno a
partir del petroacuteleo Se han desarrollado tres sistemas de produccioacuten a traveacutes de esta fuente
[1 24]
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
Es el camino maacutes utilizado para la produccioacuten de butadieno en paiacuteses como Estados Unidos
Oeste de Europa y Japoacuten representando aproximadamente el 91 del suministro mundial de
butadieno En este caso no existe una materia prima principal sino que tanto etano propano
butano nafta y gasoacuteleo se alimentan a una pirolisis (craqueo al vapor) de horno donde
combinado con vapor de agua alcanza temperaturas de entre aproximadamente 790-830ordmC
En este rango de temperatura los enlaces C-C y C-H se rompen produciendo hidrogeno
etileno propileno butadieno benceno tolueno y otros co-productos olefiacutenicos importantes
Despueacutes de la pirolisis se enfriacutea el resto de la planta separa los productos deseados en
distintos cortes de acuerdo a las especificaciones impuestas a cada uno de ellos A
continuacioacuten se aprecia en la Figura 6 un ejemplo de los distintos rendimientos de butadieno
respecto a distintas materias primas
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas [3]
La corriente de producto de butadieno crudo final alcanza concentraciones de hasta
aproximadamente un 75 en peso (esta concentracioacuten puede variar en funcioacuten de reciclo en el
sistema)
Como se puede distinguir en la liacutenea roja de la Figura 7 el butadieno experimenta una serie de
tratamientos posterior a su piroacutelisis como enfriamiento compresioacuten lavado secado y
finalmente un proceso de extraccioacuten para obtener la corriente final de butadieno
9
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking [3]
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
Esta deshidrogenacioacuten constituye parte principal del proceso y se constituye en dos etapas de
trabajo primero convirtiendo n-butano a n-butenos y luego a butadieno (etapas
endoteacutermicas) Estas zonas presentan ademaacutes de los reactores principales (trabajando
aproximadamente en rangos de P absoluta de 12-15 cmHg y T de 600-680ordmC) dos reactores
instalados de forma continua Se pueden apreciar en la Figura 8 el segundo reactor se
utilizariacutea para la regeneracioacuten de catalizador mientras que el tercer reactor es el encargado de
purgar antes de que empiece la regeneracioacuten (de esta manera se comporta como un sistema
continua de produccioacuten)
10
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno [3]
El tiempo de residencia de la alimentacioacuten en el reactor es de aproximadamente de 5 a 15
minutos Ademaacutes a la misma vez que va disminuyendo la temperatura en el lecho de
catalizador se va formando una capa de coque en el lecho Para hacer frente al problema del
coque este proceso posee un sistema de regeneracioacuten que emplea aire precalentado para
quemar esta deposicioacuten (a la misma vez aporta el calor necesario para alcanzar la temperatura
deseada) El efluente del reactor se somete a una serie de tratamientos primer lugar la
corriente se enfriacutea en una torre de enfriamiento posteriormente se comprime antes de la
alimentacioacuten al sistema de absorcioacutenstripper En este complejo de absorcioacuten se consigue un
concentrado de C4 para el sistema final de extraccioacuten de butadieno obteniendo una corriente
de producto de butadieno de gran pureza Esta ruta de proceso se trabaja a un rango de
conversioacuten de aproximadamente un 30-40 y un rendimiento total de 60-65
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
Es un sistema que ha reemplazado a muchos procesos antiguos de produccioacuten de butadieno
debido al desarrollo de varios procesos y sistemas de catalizadores de oxideshidrogenacioacuten de
cualquier n-butano o de n-buteno El 1-buteno es mucho maacutes reactivo y requiere condiciones
de operacioacuten menos severas que la de n-butano siendo el empleo de n-butano menos
eficiente Como recomendaciones en la oxideshidrogenacioacuten una mezcla de n-butenos aire y
vapor se hace pasar sobre un lecho de catalizador a baja presioacuten y aproximadamente de 500-
600ordmC El calor de la reaccioacuten exoteacutermica puede ser eliminado indirectamente mediante la
circulacioacuten de sal fundida o por un meacutetodo alternativo que consiste en antildeadir vapor de agua a
la alimentacioacuten (actuando como disipador de calor) En el proceso Oxo-D como se observa en
11
la Figura 9 una mezcla de aire vapor y 1-buteno se hace pasar sobre el catalizador de
deshidrogenacioacuten en un proceso continuo
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos [3]
Como parte final del proceso el efluente del reactor se enfriacutea y como en el sistema anterior
los componentes C4 se recuperan en un absorbedordesgasificadorstripper El aceite como
disolvente fluye desde los fondos del stripper y regresa al absorbedor aunque antes pasa
traveacutes de una zona de purificacioacuten de disolvente Para obtener la corriente de butadieno final
es necesario eliminar la cantidad de disolvente (aceite) por medio de un stripper y un sistema
de purificacioacuten para obtener la corriente final El rango de rendimiento y selectividad puede
variar entre 70-90 lo que hace innecesario recuperar o reciclar material de alimentacioacuten (la
formacioacuten de C02 como reaccioacuten secundaria puede producir la peacuterdida de rendimiento del
proceso)
12
3 Descripcioacuten del proceso
En el estudio de este proyecto y tras analizar cada una de las opciones de trabajo para la
deshidrogenacioacuten de n-butanos se ha decidido seguir un sistema de deshidrogenacioacuten en dos
etapas [13 67]
1) Deshidrogenacioacuten no oxidativa de los n-butanos para obtener n-butenos
2) Deshidrogenacioacuten oxidativa (oxideshidrogenacioacuten) de los n-butenos para producir
butadieno
Como ya se ha dicho con anterioridad existen tres caminos de produccioacuten de butadieno sin
embargo se considera principalmente debido a la necesidad de eficiencia implantar dos fases
distintas de deshidrogenacioacuten La primera fase que corresponde al proceso Catadiene que
consiste en una deshidrogenacioacuten no oxidativa del n-butano mientras que se complementa
con una zona de oxideshidrogenacioacuten de los n-butenos Se ha decidido tomar este sistema
debido a las siguientes razones
o Mayor conversioacuten y selectividad global gracias a la oxideshidrogenacioacuten el aporte de
oxiacutegeno permite eliminar parte de hidrogeno en forma de agua (rendimiento aprox de
65 y una selectividad de 93)
o Oxiacutegeno junto al vapor alimentado disminuye la coquizacioacuten del catalizador
o Bajo consumo de vapor respecto a la deshidrogenacioacuten no oxidativa
o Adicioacuten de oxiacutegeno en la deshidrogenacioacuten de n-butanos genera una gran cantidad de
productos indeseados debido a que a las altas temperaturas requeridas favorece la
reaccioacuten del oxiacutegeno
o Butenos son muchos maacutes reactivos de ahiacute que necesiten condiciones de operacioacuten
menos severas por lo que no es praacutectico la oxideshidrogenacioacuten del n-butano
Este sistema de deshidrogenacioacuten se dividiraacute en tres fases de procesamiento como se observa
en el diagrama de bloques de la Figura 10
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno (6)
13
En primer lugar este medio de produccioacuten parte de una corriente de n-butanos isobutano
propano y un porcentaje de hidrocarburos (C5) la cual necesita ser tratada para obtener una
corriente pura de n-butanos Este sistema presenta un tren de separacioacuten en primer lugar una
columna de destilacioacuten que lo separe en una corriente de n-butano y posteriormente
aprovechar la corriente de isobutanos con un reactor de isomerizacioacuten para generar maacutes n-
butano o como producto final para otros procesos Maacutes adelante en el proyecto se decidiraacute
que se haraacute con el isobutano
Una vez obtenida la corriente de n-butano se alimenta a la zona de deshidrogenacioacuten
encargada de deshidrogenizar para conseguir el butadieno Como ya se ha enunciado se
instalaraacuten dos zonas de deshidrogenacioacuten con condiciones de operacioacuten diferentes La
deshidrogenacioacuten no oxidativa de n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica trabajando
a un rango de temperatura de 600-700ordmC y una presioacuten de 05-8 bar (3) La reaccioacuten principal
en el primer reactor seriacutea la formacioacuten de buteno a traveacutes de la peacuterdida de hidroacutegeno de n-
butano para dar 1-buteno
C4H10 C4H8 (1-buteno) + H2
Para aportar el calor necesario de reaccioacuten se puede quemar in-situ el hidroacutegeno liberado
antildeadiendo una corriente de oxiacutegeno (aire) Suele ser necesario antildeadir hidroacutegeno adicional
externamente para satisfacer totalmente el calor de reaccioacuten
H2 + O2 H2O
Estas reacciones se catalizan selectivamente por catalizadores especializados a este sistema
Los catalizadores se pueden separar en dos partes fundamentales como soporte y composicioacuten
activa En primer lugar el soporte consiste generalmente en un oacutexido resistente al calor u
oacutexido mixto Los oacutexidos empleados preferentemente son los oacutexidos de aluminio oacutexido de
cromo o dioacutexido de silicio La composicioacuten activa de los catalizadores de deshidrogenacioacuten se
comprende generalmente en uno o maacutes metales del grupo de transicioacuten VII de la tabla
perioacutedica preferentemente platino yo paladio En este caso para este reactor se utiliza el
catalizador maacutes comuacuten que es una mezcla de oacutexido de aluminio y oacutexido de cromo Los
catalizadores de deshidrogenacioacuten en su funcioacuten se degeneran con la necesidad de montar un
reactor en paralelo que permita su regeneracioacuten de forma continua Ademaacutes como se observa
14
en el diagrama de bloques de la figura 10 es necesario la aplicacioacuten a estas zonas de
deshidrogenacioacuten de aire a traveacutes del lecho catalizador
Una vez obtenida la corriente de n-butenos se alimenta al segundo reactor con la diferencia
que necesita la alimentacioacuten de oxiacutegeno para la deshidrogenacioacuten oxidativa del 1-buteno La
adiccioacuten de oxigeno permite mejorar la conversioacuten y la selectividad de la deshidrogenacioacuten de
n-buteno eliminando el hidrogeno (7)
2 C4H8 + O2 2 C4H6 + 2 H2O (Reaccioacuten principal)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O (Reaccioacuten secundaria)
Como al igual que la deshidrogenacioacuten no oxidativa para la deshidrogenacioacuten del 1-buteno se
necesita un catalizador preferentemente un sistema de oacutexido multimetaacutelico Mo-Bi-Fe-O En
esta reaccioacuten aparece la formacioacuten de CO2 como reaccioacuten secundaria indeseada a partir del 1-
buteno Una vez obtenida la corriente final de butadieno n-butano no convertido y los demaacutes
co-productos se llevan a un tren de separacioacuten que consta de una columna de destilacioacuten
extractiva con un solvente En primer lugar la columna de destilacioacuten se separa el resto de
hidrocarburos (n-butanos sin reaccionar) por cabeza mientras que el 13-butadieno sale por
fondos Los fondos presentan gran cantidad de disolvente de ahiacute que utilicen una columna de
recuperacioacuten de disolvente para obtener el butadieno final
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
x
xi
Iacutendice
Agradecimientos ______________________________________________________ vi
Resumen ____________________________________________________________ viii
Abstract _____________________________________________________________ ix
Iacutendice _______________________________________________________________ xi
Iacutendice de Tablas ______________________________________________________ xiv
Iacutendice de Figuras _____________________________________________________ xvi
1 Alcance y objetivo __________________________________________________ 1
2 Introduccioacuten ______________________________________________________ 2
21 Caracteriacutesticas de butadieno ____________________________________________ 3
22 Aplicaciones _________________________________________________________ 4
23 Potencial de exposicioacuten ________________________________________________ 6
24 Procesos comerciales de butadieno ______________________________________ 7
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos _______________________________ 8
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry) _____________ 9
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno ____________________________________ 10
3 Descripcioacuten del proceso ____________________________________________ 12
31 Etapas de produccioacuten ________________________________________________ 15
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano _____________________________________ 15
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos _________________________ 15
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos ___________________________ 17
314 Separacioacuten de butadieno _________________________________________________ 18
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus ________________________________ 20
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten ______________________________ 20
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten _____________________________ 21
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano _________________________________________ 23
421 Modelo de simulacioacuten de reactores _________________________________________ 23
43 Integracioacuten energeacutetica _______________________________________________ 24
44 Equipos reguladores de presioacuten ________________________________________ 25
45 Destino final del isobutano separado ____________________________________ 26
xii
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos _______________________________ 28
51 Fase de tratamiento _________________________________________________ 31
511 Compresor (C-1) ________________________________________________________ 31
512 Columna de destilacioacuten (D-1) ______________________________________________ 36
513 Bomba (B-1)____________________________________________________________ 37
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3) _______________________________________ 39
52 Reactores de deshidrogenacioacuten ________________________________________ 42
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa ___________________________________ 42
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo ____________________________________ 43
53 Intercambiadores de calor ____________________________________________ 44
5 Bibliografiacutea ______________________________________________________ 47
xiii
xiv
Iacutendice de Tablas
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de tiempo de residencia normal de trabajo en reactores de
deshidrogenacioacuten no oxidativa 17
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos 18
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten 18
Tabla 4 Disolventes usaos industrialmente 19
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso 30
Tabla 6 Especificaciones de C-1 31
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1) 36
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1 37
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1 37
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2) 39
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2 40
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3) 40
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3 40
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten 41
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados 42
Tabla 16 Temperaturas de las corrientes en INT-1 44
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1 44
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2 45
Tabla 19 Temperaturas de las corrientes en INT-3 45
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4 45
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4 46
xv
xvi
Iacutendice de Figuras
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno 2
Figura 2 Propiedades de butadieno 3
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 4
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU
2000 (a la derecha) 5
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno 6
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas 8
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking 9
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno 10
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos 11
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno 12
Figura 11 Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten 15
Figura 12 Diagrama de proceso de la planta de butadieno 28
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados 34
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores 35
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso 36
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba 38
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH 39
xvii
1
1 Alcance y objetivo
En este proyecto se desarrolla la ingenieriacutea baacutesica de una planta de produccioacuten de butadieno a
partir de la deshidrogenacioacuten de n-butanos
El trabajo se centra en el estudio en profundidad del proceso de obtencioacuten de butadieno a
traveacutes de una de las rutas de proceso maacutes empleados en la actualidad deshidrogenacioacuten y
oxideshidrogenacioacuten Se marca como objetivo conocer primeramente las caracteriacutesticas del
butadieno y todas sus formas de produccioacuten para mostrar la utilidad que tiene esta ruta
actualmente A la misma vez se justifica la eleccioacuten del proceso elegido comparando las
distintas caracteriacutesticas de cada uno
En esta descripcioacuten del proceso se incluye un anaacutelisis global de cada una de las etapas para a
continuacioacuten especificar cada una de ellas Esta informacioacuten se utiliza para poder completar el
diagrama de proceso y constituir la simulacioacuten de una planta de butadieno Este trabajo
permite estudiar e investigar un proceso poco convencional y poner en praacutectica los
conocimientos estudiados Se lleva a cabo con el programa Aspen Plus donde se intenta
representar el diagrama tendiendo a todas las especificaciones impuestas y conseguir una
visioacuten real numeacuterica del proceso estudiado En este programa se pondraacute en praacutectica el uso de
balances de materia y energiacutea necesarios para comprender los resultados obtenidos Por
uacuteltimo se aprovechan los caacutelculos realizados en el simulador para disentildear los equipos maacutes
representativos en el sistema Para ello antes hay que disentildear un diagrama de proceso con las
directrices estudiadas tanto en la informacioacuten buscada como los conceptos adquiridos
Como criterio de disentildeo se fija una capacidad de produccioacuten acorde con una planta de
butadieno que utiliza como materia prima el n-butano ademaacutes de un disentildeo que represente
los equipos industriales necesarios comuacutenmente en este tipo de proceso Aunque se trata de
una ingenieriacutea baacutesica se decide durante la realizacioacuten del mismo no llevar a cabo el balance
econoacutemico de todo el proyecto ya que se considera prescindible debido a sus numerosas
praacutecticas durante la carrera
2
2 Introduccioacuten
El butadieno (se habla de 13 butadieno ya que conforma el hidrocarburo C4 insaturado maacutes
importante econoacutemicamente) es un producto importante de la industria petroquiacutemica Su
sencilla estructura quiacutemica (figura 1) combinada con su bajo peso molecular y alta reactividad
quiacutemica hace que sea un elemento muy uacutetil en la siacutentesis de otros materiales [1]
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno
Antes del desarrollo de la industria de butadieno el butadieno aparece en 1863 cuando el
quiacutemico franceacutes E Caventou aisloacute un hidrocarburo hasta ahora desconocido con la piroacutelisis de
alcohol amiacutelico Este hidrocarburo se identificoacute como butadieno en 1886 despueacutes de que
Henry Edward Amstronglo lo aislara de unos de los productos de la piroacutelisis de petroacuteleo En
1910 el quiacutemico ruso Sergei Lebedev polimerizoacute el butadieno obteniendo un material con
propiedades similares al caucho Este poliacutemero no fue lo suficiente adecuado para reemplazar
el caucho natural en muchas aplicaciones sobre todo en los neumaacuteticos del automoacutevil A partir
de ahiacute la industria de butadieno se centroacute en las necesidades de la Segunda Guerra Mundial
ya que las naciones combatientes como Alemania y Estados Unidos apostaron por disminuir la
dependencia de las industrias del caucho controladas por el Gobierno Britaacutenico [1]
Hasta la actualidad la produccioacuten mundial de butadieno ha estado ligada a la demanda de
manufacturacioacuten de neumaacuteticos Como estudios de 2015 reflejan por primera vez desde 2000
la produccioacuten europea de caucho sinteacutetico a partir de butadieno superoacute la demanda como
resultado de la contraccioacuten de la industria automoviliacutestica Este mismo estudio cifra que la
demanda europea fue de 2459778 toneladas mientras que la produccioacuten se situoacute en
2246137 toneladas Sin embargo observando el futuro de este producto se espera invertir la
situacioacuten superando la produccioacuten a la demanda por 162953 toneladas Ante esta situacioacuten las
3
empresas se mueven hacia un mercado de exportacioacuten con el objetivo de conseguir la
produccioacuten deseada Alguacuten ejemplo apreciable es la expansioacuten de la empresa alemana
LyondellBsell con su unidad de extraccioacuten en Wesseling Alemania y los planes de Versalis para
construir una nueva unidad de 70000 toneladasantildeo en su planta de Dunkerque Francia [2]
21 Caracteriacutesticas de butadieno
Este compuesto presenta propiedades quiacutemicas y fiacutesicas como gas inflamable incoloro con un
olor suave y aromaacutetico ademaacutes de ser altamente reactivo Es soluble en alcohol y eacuteter
insoluble en agua y se polimeriza faacutecilmente (en particular si el oxiacutegeno estaacute presente) Debido
a sus dobles enlaces conjugados pueden tomar parte en numerosas reacciones que incluyen
12- y 14- adicionales con siacute mismo (polimerizacioacuten) y de otros reactivos la dimerizacioacuten lineal
y de trimerizacioacuten y formacioacuten de anillo En la figura 2 siguiente muestra una tabla con las
propiedades principales de este compuesto
Figura 2 Propiedades de butadieno [3]
El 13-butadieno el dieno conjugado maacutes simple ha sido sometido a numerosos estudios para
comprender todas sus propiedades fiacutesicas y quiacutemicas La unioacuten de los dobles enlaces hace que
sea 15kJmol maacutes estable termodinaacutemicamente que una moleacutecula con dos enlaces simples La
4
longitud del doble enlace en 13-butadieno es 0134 nm y los enlaces simples 0148 Ya que los
enlaces simples de carbono-carbono son normalmente de 0154 nm esto indica el grado de
doble enlace en la mitad de enlace simple [4]
22 Aplicaciones
La produccioacuten de butadieno mundial estaacute dominada por las fracciones de craqueo por vapor
de C4 convirtieacutendose en la ruta ideal para maacutes del 95 de la produccioacuten de butadieno En la
Figura 3 se puede distinguir la situacioacuten mundial de butadieno en 1998 y destacar por
ejemplo que en el caso de Europa Occidental la materia especiacutefica de craqueo se centra en la
nafta El motivo de este dominio son los altos rendimientos conseguidos a traveacutes de este
medio sin embargo en la actualidad su aplicacioacuten ha disminuido ligeramente debido al
desarrollo de nuevas teacutecnicas de deshidrogenacioacuten oxidativa como se veraacute en los apartados
siguientes
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 [1]
El butadieno se usa principalmente como monoacutemero en la fabricacioacuten de cauchos o
elastoacutemeros sinteacuteticos como se aprecia en la Figura 4 suponiendo aproximadamente el 70
del uso de butadieno Entre los poliacutemeros destacados de esta aplicacioacuten son Estireno-
butadieno (SBR) caucho de polibutadieno (PBR) policloropreno (Neopreno) y caucho de
nitrilo (NBR) Ademaacutes como monoacutemero es importante como intermediario en la produccioacuten de
algunos productos quiacutemicos (gracias a su alta reactividad quiacutemica) Los cauchos anteriormente
mencionados se distinguiriacutean de la siguiente forma [4]
Caucho estireno-butadieno (SBR) se obtiene por la polimerizacioacuten de estireno y
butadieno constituyendo la mayor aplicacioacuten de butadieno El uso principal de SBR
5
estaacute en neumaacuteticos y en menor cantidad en adhesivos y selladores suelas de zapatos
revestimientos de alambre y cable
Polibutadieno (PB) producido por la polimerizacioacuten de butadieno es el segundo
monoacutemero maacutes usado Ademaacutes de coacutemo materia prima para neumaacuteticos el PB se
utiliza como producto intermedio en la produccioacuten de acrilonitrilo-butadieno-estireno
(ABS) y modificadores de impacto
Laacutetex Estireno-butadieno (SBL) se trata de una dispersioacuten acuosa estable que contiene
discretas partiacuteculas de poliacutemero de aproximadamente 005 a 5 microacutemetros de
diaacutemetro Entre sus aplicaciones consta la goma espuma (cojines esponjas) adhesivos
(pavimentos azulejos) selladores y revestimientos de papel
Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno (ABS) resinas ABS son mezclas de dos fases Se pueden
producir por polimerizacioacuten donde los homopoliacutemeros de polibutadieno se injertan en
un copoliacutemero de estierno-acronitrilo Estas resinas posee una amplia gama de
aplicaciones que incluyen de piezas de automoacuteviles teleacutefonos maacutequinas de oficina tales
como ordenadores y electrodomeacutesticos
Caucho de nitrilo (NBR) este caucho es producido en menor cantidad que los anteriores
y se obtiene a partir de la copolimerizacioacuten de acrilonitrilo y butadieno Este material se
utiliza en productos como mangueras tuberiacuteas de combustible adhesivos guantes y
calzado
Copoliacutemero de bloques de Estireno-butadieno (SBS Y SEBS) sus aplicaciones son incluidas
en aditivos para aceites lubricantes adhesivos aplicaciones de automocioacuten alimentos y
otro tipo de envases dispositivos meacutedicos
Metacrilato de metilo-butadieno-estireno (MMBS) su produccioacuten es maacutes escasa ya que
se dedica como modificador de impacto en piezas de automoacuteviles botellas y envases de
alimentos
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU 2000 (a la derecha) [45]
6
Ademaacutes de los poliacutemeros como se mencionoacute anteriormente el butadieno constituye distintos
intermediarios quiacutemicos En la figura 5 puede apreciarse los tipos de poliacutemeros enumerados y
los compuestos quiacutemicos principales como adiponitrilo cloropropano y sus posteriores
aplicaciones
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno [4]
23 Potencial de exposicioacuten
El butadieno forma parte en la produccioacuten de productos industriales y de consumo sin
embargo sobre la base de estos usos los individuos pueden estar expuestos de diferentes
formas [5]
Exposicioacuten Diaria es la exposicioacuten que afecta a los individuos que trabajan en
instalaciones de butadieno y plantas de productos que emplean este compuesto En
estas instalaciones se pueden enfrentar a las exposiciones maacutes comunes de butadieno
por fallo mecaacutenico de un sello de la bomba el paquete de la vaacutelvula conexioacuten de la
tuberiacutea o junta Sin embargo los responsables emplean sistemas de seguridad
restrictivos regulados y controlados por permisos y normas
7
Exposicioacuten del consumidor de producto conteniente en butadieno los consumidores
estaacuten expuestos a niveles bajos o no detectables de butadieno (butadieno no se vende
para uso de consumidores) a traveacutes de la ingesta de alimentos que estaban
almacenados en envases contenedores de butadieno
Emisiones al medio ambiente butadieno se libera en el medio ambiente tanto de
fuentes industriales y no industriales Ante cualquier emisioacuten el sistema de control se
centra en evitar cualquier probabilidad de incendio y controlar los derrames
reduciendo la contaminacioacuten de aire suelo y aguas superficiales o subterraacuteneas Su
alta presioacuten de vapor y la insolubilidad de agua hace que se acumule en el aire creando
un riesgo en la inhalacioacuten (de ahiacute es necesario proteccioacuten de las viacuteas respiratoria ante
cualquier derrame o fuga)
Riesgo para la salud
Contacto con los ojos butadieno liacutequido puede causar la congelacioacuten si entra en
contacto con los ojos y se evapora raacutepidamente Los vapores de butadieno pueden
causar irritacioacuten en los ojos causando incomodidad y enrojecimiento
Contacto con la piel butadieno no es irritante para la piel aunque el butadieno liacutequido
puede causar congelacioacuten si entra en contacto con la piel
Ingestioacuten es poco probable ya que el material es un gas a temperatura y presioacuten
ambiente Aunque el contacto con butadieno liacutequido podriacutea dar lugar a la congelacioacuten
de los labios
Inhalacioacuten zonas cerradas o poco ventilados los vapores de butadieno se pueden
acumular y causar inconsciencia y la muerte Las exposiciones excesivas pueden causar
irritacioacuten en el sistema respiratorio superior (nariz y garganta) o efectos en el sistema
nervioso central Los siacutentomas pueden incluir efectos anesteacutesicos o narcoacuteticos como
mareo o somnolencia
Exposicioacuten repetida exposiciones excesivas repetidas se han reportado efectos en los
rintildeones el hiacutegado los ovarios las viacuteas respiratorias y los testiacuteculos La exposicioacuten
excesiva puede causar dantildeo a los oacuterganos hematopoyeacuteticos (medula oacutesea y bazo)
Carcinogenecidad el butadieno aparece como un carcinoacutegeno humano por la Agencia
Internacional para la Investigacioacuten sobre el Caacutencer
24 Procesos comerciales de butadieno
La produccioacuten de butadieno desde su descubrimiento a traveacutes de la piroacutelisis de materiales
orgaacutenicos ha sido desarrollada a la misma vez que la industria petroquiacutemica En primer lugar
8
el butadieno era generado a partir del acetileno asiacute como del etanol No obstante la
importancia de estos procesos ha disminuido debido a la creciente produccioacuten de butadieno a
partir del petroacuteleo Se han desarrollado tres sistemas de produccioacuten a traveacutes de esta fuente
[1 24]
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
Es el camino maacutes utilizado para la produccioacuten de butadieno en paiacuteses como Estados Unidos
Oeste de Europa y Japoacuten representando aproximadamente el 91 del suministro mundial de
butadieno En este caso no existe una materia prima principal sino que tanto etano propano
butano nafta y gasoacuteleo se alimentan a una pirolisis (craqueo al vapor) de horno donde
combinado con vapor de agua alcanza temperaturas de entre aproximadamente 790-830ordmC
En este rango de temperatura los enlaces C-C y C-H se rompen produciendo hidrogeno
etileno propileno butadieno benceno tolueno y otros co-productos olefiacutenicos importantes
Despueacutes de la pirolisis se enfriacutea el resto de la planta separa los productos deseados en
distintos cortes de acuerdo a las especificaciones impuestas a cada uno de ellos A
continuacioacuten se aprecia en la Figura 6 un ejemplo de los distintos rendimientos de butadieno
respecto a distintas materias primas
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas [3]
La corriente de producto de butadieno crudo final alcanza concentraciones de hasta
aproximadamente un 75 en peso (esta concentracioacuten puede variar en funcioacuten de reciclo en el
sistema)
Como se puede distinguir en la liacutenea roja de la Figura 7 el butadieno experimenta una serie de
tratamientos posterior a su piroacutelisis como enfriamiento compresioacuten lavado secado y
finalmente un proceso de extraccioacuten para obtener la corriente final de butadieno
9
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking [3]
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
Esta deshidrogenacioacuten constituye parte principal del proceso y se constituye en dos etapas de
trabajo primero convirtiendo n-butano a n-butenos y luego a butadieno (etapas
endoteacutermicas) Estas zonas presentan ademaacutes de los reactores principales (trabajando
aproximadamente en rangos de P absoluta de 12-15 cmHg y T de 600-680ordmC) dos reactores
instalados de forma continua Se pueden apreciar en la Figura 8 el segundo reactor se
utilizariacutea para la regeneracioacuten de catalizador mientras que el tercer reactor es el encargado de
purgar antes de que empiece la regeneracioacuten (de esta manera se comporta como un sistema
continua de produccioacuten)
10
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno [3]
El tiempo de residencia de la alimentacioacuten en el reactor es de aproximadamente de 5 a 15
minutos Ademaacutes a la misma vez que va disminuyendo la temperatura en el lecho de
catalizador se va formando una capa de coque en el lecho Para hacer frente al problema del
coque este proceso posee un sistema de regeneracioacuten que emplea aire precalentado para
quemar esta deposicioacuten (a la misma vez aporta el calor necesario para alcanzar la temperatura
deseada) El efluente del reactor se somete a una serie de tratamientos primer lugar la
corriente se enfriacutea en una torre de enfriamiento posteriormente se comprime antes de la
alimentacioacuten al sistema de absorcioacutenstripper En este complejo de absorcioacuten se consigue un
concentrado de C4 para el sistema final de extraccioacuten de butadieno obteniendo una corriente
de producto de butadieno de gran pureza Esta ruta de proceso se trabaja a un rango de
conversioacuten de aproximadamente un 30-40 y un rendimiento total de 60-65
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
Es un sistema que ha reemplazado a muchos procesos antiguos de produccioacuten de butadieno
debido al desarrollo de varios procesos y sistemas de catalizadores de oxideshidrogenacioacuten de
cualquier n-butano o de n-buteno El 1-buteno es mucho maacutes reactivo y requiere condiciones
de operacioacuten menos severas que la de n-butano siendo el empleo de n-butano menos
eficiente Como recomendaciones en la oxideshidrogenacioacuten una mezcla de n-butenos aire y
vapor se hace pasar sobre un lecho de catalizador a baja presioacuten y aproximadamente de 500-
600ordmC El calor de la reaccioacuten exoteacutermica puede ser eliminado indirectamente mediante la
circulacioacuten de sal fundida o por un meacutetodo alternativo que consiste en antildeadir vapor de agua a
la alimentacioacuten (actuando como disipador de calor) En el proceso Oxo-D como se observa en
11
la Figura 9 una mezcla de aire vapor y 1-buteno se hace pasar sobre el catalizador de
deshidrogenacioacuten en un proceso continuo
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos [3]
Como parte final del proceso el efluente del reactor se enfriacutea y como en el sistema anterior
los componentes C4 se recuperan en un absorbedordesgasificadorstripper El aceite como
disolvente fluye desde los fondos del stripper y regresa al absorbedor aunque antes pasa
traveacutes de una zona de purificacioacuten de disolvente Para obtener la corriente de butadieno final
es necesario eliminar la cantidad de disolvente (aceite) por medio de un stripper y un sistema
de purificacioacuten para obtener la corriente final El rango de rendimiento y selectividad puede
variar entre 70-90 lo que hace innecesario recuperar o reciclar material de alimentacioacuten (la
formacioacuten de C02 como reaccioacuten secundaria puede producir la peacuterdida de rendimiento del
proceso)
12
3 Descripcioacuten del proceso
En el estudio de este proyecto y tras analizar cada una de las opciones de trabajo para la
deshidrogenacioacuten de n-butanos se ha decidido seguir un sistema de deshidrogenacioacuten en dos
etapas [13 67]
1) Deshidrogenacioacuten no oxidativa de los n-butanos para obtener n-butenos
2) Deshidrogenacioacuten oxidativa (oxideshidrogenacioacuten) de los n-butenos para producir
butadieno
Como ya se ha dicho con anterioridad existen tres caminos de produccioacuten de butadieno sin
embargo se considera principalmente debido a la necesidad de eficiencia implantar dos fases
distintas de deshidrogenacioacuten La primera fase que corresponde al proceso Catadiene que
consiste en una deshidrogenacioacuten no oxidativa del n-butano mientras que se complementa
con una zona de oxideshidrogenacioacuten de los n-butenos Se ha decidido tomar este sistema
debido a las siguientes razones
o Mayor conversioacuten y selectividad global gracias a la oxideshidrogenacioacuten el aporte de
oxiacutegeno permite eliminar parte de hidrogeno en forma de agua (rendimiento aprox de
65 y una selectividad de 93)
o Oxiacutegeno junto al vapor alimentado disminuye la coquizacioacuten del catalizador
o Bajo consumo de vapor respecto a la deshidrogenacioacuten no oxidativa
o Adicioacuten de oxiacutegeno en la deshidrogenacioacuten de n-butanos genera una gran cantidad de
productos indeseados debido a que a las altas temperaturas requeridas favorece la
reaccioacuten del oxiacutegeno
o Butenos son muchos maacutes reactivos de ahiacute que necesiten condiciones de operacioacuten
menos severas por lo que no es praacutectico la oxideshidrogenacioacuten del n-butano
Este sistema de deshidrogenacioacuten se dividiraacute en tres fases de procesamiento como se observa
en el diagrama de bloques de la Figura 10
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno (6)
13
En primer lugar este medio de produccioacuten parte de una corriente de n-butanos isobutano
propano y un porcentaje de hidrocarburos (C5) la cual necesita ser tratada para obtener una
corriente pura de n-butanos Este sistema presenta un tren de separacioacuten en primer lugar una
columna de destilacioacuten que lo separe en una corriente de n-butano y posteriormente
aprovechar la corriente de isobutanos con un reactor de isomerizacioacuten para generar maacutes n-
butano o como producto final para otros procesos Maacutes adelante en el proyecto se decidiraacute
que se haraacute con el isobutano
Una vez obtenida la corriente de n-butano se alimenta a la zona de deshidrogenacioacuten
encargada de deshidrogenizar para conseguir el butadieno Como ya se ha enunciado se
instalaraacuten dos zonas de deshidrogenacioacuten con condiciones de operacioacuten diferentes La
deshidrogenacioacuten no oxidativa de n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica trabajando
a un rango de temperatura de 600-700ordmC y una presioacuten de 05-8 bar (3) La reaccioacuten principal
en el primer reactor seriacutea la formacioacuten de buteno a traveacutes de la peacuterdida de hidroacutegeno de n-
butano para dar 1-buteno
C4H10 C4H8 (1-buteno) + H2
Para aportar el calor necesario de reaccioacuten se puede quemar in-situ el hidroacutegeno liberado
antildeadiendo una corriente de oxiacutegeno (aire) Suele ser necesario antildeadir hidroacutegeno adicional
externamente para satisfacer totalmente el calor de reaccioacuten
H2 + O2 H2O
Estas reacciones se catalizan selectivamente por catalizadores especializados a este sistema
Los catalizadores se pueden separar en dos partes fundamentales como soporte y composicioacuten
activa En primer lugar el soporte consiste generalmente en un oacutexido resistente al calor u
oacutexido mixto Los oacutexidos empleados preferentemente son los oacutexidos de aluminio oacutexido de
cromo o dioacutexido de silicio La composicioacuten activa de los catalizadores de deshidrogenacioacuten se
comprende generalmente en uno o maacutes metales del grupo de transicioacuten VII de la tabla
perioacutedica preferentemente platino yo paladio En este caso para este reactor se utiliza el
catalizador maacutes comuacuten que es una mezcla de oacutexido de aluminio y oacutexido de cromo Los
catalizadores de deshidrogenacioacuten en su funcioacuten se degeneran con la necesidad de montar un
reactor en paralelo que permita su regeneracioacuten de forma continua Ademaacutes como se observa
14
en el diagrama de bloques de la figura 10 es necesario la aplicacioacuten a estas zonas de
deshidrogenacioacuten de aire a traveacutes del lecho catalizador
Una vez obtenida la corriente de n-butenos se alimenta al segundo reactor con la diferencia
que necesita la alimentacioacuten de oxiacutegeno para la deshidrogenacioacuten oxidativa del 1-buteno La
adiccioacuten de oxigeno permite mejorar la conversioacuten y la selectividad de la deshidrogenacioacuten de
n-buteno eliminando el hidrogeno (7)
2 C4H8 + O2 2 C4H6 + 2 H2O (Reaccioacuten principal)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O (Reaccioacuten secundaria)
Como al igual que la deshidrogenacioacuten no oxidativa para la deshidrogenacioacuten del 1-buteno se
necesita un catalizador preferentemente un sistema de oacutexido multimetaacutelico Mo-Bi-Fe-O En
esta reaccioacuten aparece la formacioacuten de CO2 como reaccioacuten secundaria indeseada a partir del 1-
buteno Una vez obtenida la corriente final de butadieno n-butano no convertido y los demaacutes
co-productos se llevan a un tren de separacioacuten que consta de una columna de destilacioacuten
extractiva con un solvente En primer lugar la columna de destilacioacuten se separa el resto de
hidrocarburos (n-butanos sin reaccionar) por cabeza mientras que el 13-butadieno sale por
fondos Los fondos presentan gran cantidad de disolvente de ahiacute que utilicen una columna de
recuperacioacuten de disolvente para obtener el butadieno final
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
xi
Iacutendice
Agradecimientos ______________________________________________________ vi
Resumen ____________________________________________________________ viii
Abstract _____________________________________________________________ ix
Iacutendice _______________________________________________________________ xi
Iacutendice de Tablas ______________________________________________________ xiv
Iacutendice de Figuras _____________________________________________________ xvi
1 Alcance y objetivo __________________________________________________ 1
2 Introduccioacuten ______________________________________________________ 2
21 Caracteriacutesticas de butadieno ____________________________________________ 3
22 Aplicaciones _________________________________________________________ 4
23 Potencial de exposicioacuten ________________________________________________ 6
24 Procesos comerciales de butadieno ______________________________________ 7
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos _______________________________ 8
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry) _____________ 9
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno ____________________________________ 10
3 Descripcioacuten del proceso ____________________________________________ 12
31 Etapas de produccioacuten ________________________________________________ 15
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano _____________________________________ 15
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos _________________________ 15
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos ___________________________ 17
314 Separacioacuten de butadieno _________________________________________________ 18
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus ________________________________ 20
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten ______________________________ 20
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten _____________________________ 21
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano _________________________________________ 23
421 Modelo de simulacioacuten de reactores _________________________________________ 23
43 Integracioacuten energeacutetica _______________________________________________ 24
44 Equipos reguladores de presioacuten ________________________________________ 25
45 Destino final del isobutano separado ____________________________________ 26
xii
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos _______________________________ 28
51 Fase de tratamiento _________________________________________________ 31
511 Compresor (C-1) ________________________________________________________ 31
512 Columna de destilacioacuten (D-1) ______________________________________________ 36
513 Bomba (B-1)____________________________________________________________ 37
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3) _______________________________________ 39
52 Reactores de deshidrogenacioacuten ________________________________________ 42
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa ___________________________________ 42
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo ____________________________________ 43
53 Intercambiadores de calor ____________________________________________ 44
5 Bibliografiacutea ______________________________________________________ 47
xiii
xiv
Iacutendice de Tablas
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de tiempo de residencia normal de trabajo en reactores de
deshidrogenacioacuten no oxidativa 17
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos 18
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten 18
Tabla 4 Disolventes usaos industrialmente 19
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso 30
Tabla 6 Especificaciones de C-1 31
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1) 36
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1 37
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1 37
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2) 39
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2 40
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3) 40
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3 40
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten 41
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados 42
Tabla 16 Temperaturas de las corrientes en INT-1 44
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1 44
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2 45
Tabla 19 Temperaturas de las corrientes en INT-3 45
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4 45
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4 46
xv
xvi
Iacutendice de Figuras
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno 2
Figura 2 Propiedades de butadieno 3
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 4
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU
2000 (a la derecha) 5
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno 6
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas 8
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking 9
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno 10
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos 11
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno 12
Figura 11 Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten 15
Figura 12 Diagrama de proceso de la planta de butadieno 28
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados 34
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores 35
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso 36
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba 38
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH 39
xvii
1
1 Alcance y objetivo
En este proyecto se desarrolla la ingenieriacutea baacutesica de una planta de produccioacuten de butadieno a
partir de la deshidrogenacioacuten de n-butanos
El trabajo se centra en el estudio en profundidad del proceso de obtencioacuten de butadieno a
traveacutes de una de las rutas de proceso maacutes empleados en la actualidad deshidrogenacioacuten y
oxideshidrogenacioacuten Se marca como objetivo conocer primeramente las caracteriacutesticas del
butadieno y todas sus formas de produccioacuten para mostrar la utilidad que tiene esta ruta
actualmente A la misma vez se justifica la eleccioacuten del proceso elegido comparando las
distintas caracteriacutesticas de cada uno
En esta descripcioacuten del proceso se incluye un anaacutelisis global de cada una de las etapas para a
continuacioacuten especificar cada una de ellas Esta informacioacuten se utiliza para poder completar el
diagrama de proceso y constituir la simulacioacuten de una planta de butadieno Este trabajo
permite estudiar e investigar un proceso poco convencional y poner en praacutectica los
conocimientos estudiados Se lleva a cabo con el programa Aspen Plus donde se intenta
representar el diagrama tendiendo a todas las especificaciones impuestas y conseguir una
visioacuten real numeacuterica del proceso estudiado En este programa se pondraacute en praacutectica el uso de
balances de materia y energiacutea necesarios para comprender los resultados obtenidos Por
uacuteltimo se aprovechan los caacutelculos realizados en el simulador para disentildear los equipos maacutes
representativos en el sistema Para ello antes hay que disentildear un diagrama de proceso con las
directrices estudiadas tanto en la informacioacuten buscada como los conceptos adquiridos
Como criterio de disentildeo se fija una capacidad de produccioacuten acorde con una planta de
butadieno que utiliza como materia prima el n-butano ademaacutes de un disentildeo que represente
los equipos industriales necesarios comuacutenmente en este tipo de proceso Aunque se trata de
una ingenieriacutea baacutesica se decide durante la realizacioacuten del mismo no llevar a cabo el balance
econoacutemico de todo el proyecto ya que se considera prescindible debido a sus numerosas
praacutecticas durante la carrera
2
2 Introduccioacuten
El butadieno (se habla de 13 butadieno ya que conforma el hidrocarburo C4 insaturado maacutes
importante econoacutemicamente) es un producto importante de la industria petroquiacutemica Su
sencilla estructura quiacutemica (figura 1) combinada con su bajo peso molecular y alta reactividad
quiacutemica hace que sea un elemento muy uacutetil en la siacutentesis de otros materiales [1]
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno
Antes del desarrollo de la industria de butadieno el butadieno aparece en 1863 cuando el
quiacutemico franceacutes E Caventou aisloacute un hidrocarburo hasta ahora desconocido con la piroacutelisis de
alcohol amiacutelico Este hidrocarburo se identificoacute como butadieno en 1886 despueacutes de que
Henry Edward Amstronglo lo aislara de unos de los productos de la piroacutelisis de petroacuteleo En
1910 el quiacutemico ruso Sergei Lebedev polimerizoacute el butadieno obteniendo un material con
propiedades similares al caucho Este poliacutemero no fue lo suficiente adecuado para reemplazar
el caucho natural en muchas aplicaciones sobre todo en los neumaacuteticos del automoacutevil A partir
de ahiacute la industria de butadieno se centroacute en las necesidades de la Segunda Guerra Mundial
ya que las naciones combatientes como Alemania y Estados Unidos apostaron por disminuir la
dependencia de las industrias del caucho controladas por el Gobierno Britaacutenico [1]
Hasta la actualidad la produccioacuten mundial de butadieno ha estado ligada a la demanda de
manufacturacioacuten de neumaacuteticos Como estudios de 2015 reflejan por primera vez desde 2000
la produccioacuten europea de caucho sinteacutetico a partir de butadieno superoacute la demanda como
resultado de la contraccioacuten de la industria automoviliacutestica Este mismo estudio cifra que la
demanda europea fue de 2459778 toneladas mientras que la produccioacuten se situoacute en
2246137 toneladas Sin embargo observando el futuro de este producto se espera invertir la
situacioacuten superando la produccioacuten a la demanda por 162953 toneladas Ante esta situacioacuten las
3
empresas se mueven hacia un mercado de exportacioacuten con el objetivo de conseguir la
produccioacuten deseada Alguacuten ejemplo apreciable es la expansioacuten de la empresa alemana
LyondellBsell con su unidad de extraccioacuten en Wesseling Alemania y los planes de Versalis para
construir una nueva unidad de 70000 toneladasantildeo en su planta de Dunkerque Francia [2]
21 Caracteriacutesticas de butadieno
Este compuesto presenta propiedades quiacutemicas y fiacutesicas como gas inflamable incoloro con un
olor suave y aromaacutetico ademaacutes de ser altamente reactivo Es soluble en alcohol y eacuteter
insoluble en agua y se polimeriza faacutecilmente (en particular si el oxiacutegeno estaacute presente) Debido
a sus dobles enlaces conjugados pueden tomar parte en numerosas reacciones que incluyen
12- y 14- adicionales con siacute mismo (polimerizacioacuten) y de otros reactivos la dimerizacioacuten lineal
y de trimerizacioacuten y formacioacuten de anillo En la figura 2 siguiente muestra una tabla con las
propiedades principales de este compuesto
Figura 2 Propiedades de butadieno [3]
El 13-butadieno el dieno conjugado maacutes simple ha sido sometido a numerosos estudios para
comprender todas sus propiedades fiacutesicas y quiacutemicas La unioacuten de los dobles enlaces hace que
sea 15kJmol maacutes estable termodinaacutemicamente que una moleacutecula con dos enlaces simples La
4
longitud del doble enlace en 13-butadieno es 0134 nm y los enlaces simples 0148 Ya que los
enlaces simples de carbono-carbono son normalmente de 0154 nm esto indica el grado de
doble enlace en la mitad de enlace simple [4]
22 Aplicaciones
La produccioacuten de butadieno mundial estaacute dominada por las fracciones de craqueo por vapor
de C4 convirtieacutendose en la ruta ideal para maacutes del 95 de la produccioacuten de butadieno En la
Figura 3 se puede distinguir la situacioacuten mundial de butadieno en 1998 y destacar por
ejemplo que en el caso de Europa Occidental la materia especiacutefica de craqueo se centra en la
nafta El motivo de este dominio son los altos rendimientos conseguidos a traveacutes de este
medio sin embargo en la actualidad su aplicacioacuten ha disminuido ligeramente debido al
desarrollo de nuevas teacutecnicas de deshidrogenacioacuten oxidativa como se veraacute en los apartados
siguientes
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 [1]
El butadieno se usa principalmente como monoacutemero en la fabricacioacuten de cauchos o
elastoacutemeros sinteacuteticos como se aprecia en la Figura 4 suponiendo aproximadamente el 70
del uso de butadieno Entre los poliacutemeros destacados de esta aplicacioacuten son Estireno-
butadieno (SBR) caucho de polibutadieno (PBR) policloropreno (Neopreno) y caucho de
nitrilo (NBR) Ademaacutes como monoacutemero es importante como intermediario en la produccioacuten de
algunos productos quiacutemicos (gracias a su alta reactividad quiacutemica) Los cauchos anteriormente
mencionados se distinguiriacutean de la siguiente forma [4]
Caucho estireno-butadieno (SBR) se obtiene por la polimerizacioacuten de estireno y
butadieno constituyendo la mayor aplicacioacuten de butadieno El uso principal de SBR
5
estaacute en neumaacuteticos y en menor cantidad en adhesivos y selladores suelas de zapatos
revestimientos de alambre y cable
Polibutadieno (PB) producido por la polimerizacioacuten de butadieno es el segundo
monoacutemero maacutes usado Ademaacutes de coacutemo materia prima para neumaacuteticos el PB se
utiliza como producto intermedio en la produccioacuten de acrilonitrilo-butadieno-estireno
(ABS) y modificadores de impacto
Laacutetex Estireno-butadieno (SBL) se trata de una dispersioacuten acuosa estable que contiene
discretas partiacuteculas de poliacutemero de aproximadamente 005 a 5 microacutemetros de
diaacutemetro Entre sus aplicaciones consta la goma espuma (cojines esponjas) adhesivos
(pavimentos azulejos) selladores y revestimientos de papel
Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno (ABS) resinas ABS son mezclas de dos fases Se pueden
producir por polimerizacioacuten donde los homopoliacutemeros de polibutadieno se injertan en
un copoliacutemero de estierno-acronitrilo Estas resinas posee una amplia gama de
aplicaciones que incluyen de piezas de automoacuteviles teleacutefonos maacutequinas de oficina tales
como ordenadores y electrodomeacutesticos
Caucho de nitrilo (NBR) este caucho es producido en menor cantidad que los anteriores
y se obtiene a partir de la copolimerizacioacuten de acrilonitrilo y butadieno Este material se
utiliza en productos como mangueras tuberiacuteas de combustible adhesivos guantes y
calzado
Copoliacutemero de bloques de Estireno-butadieno (SBS Y SEBS) sus aplicaciones son incluidas
en aditivos para aceites lubricantes adhesivos aplicaciones de automocioacuten alimentos y
otro tipo de envases dispositivos meacutedicos
Metacrilato de metilo-butadieno-estireno (MMBS) su produccioacuten es maacutes escasa ya que
se dedica como modificador de impacto en piezas de automoacuteviles botellas y envases de
alimentos
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU 2000 (a la derecha) [45]
6
Ademaacutes de los poliacutemeros como se mencionoacute anteriormente el butadieno constituye distintos
intermediarios quiacutemicos En la figura 5 puede apreciarse los tipos de poliacutemeros enumerados y
los compuestos quiacutemicos principales como adiponitrilo cloropropano y sus posteriores
aplicaciones
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno [4]
23 Potencial de exposicioacuten
El butadieno forma parte en la produccioacuten de productos industriales y de consumo sin
embargo sobre la base de estos usos los individuos pueden estar expuestos de diferentes
formas [5]
Exposicioacuten Diaria es la exposicioacuten que afecta a los individuos que trabajan en
instalaciones de butadieno y plantas de productos que emplean este compuesto En
estas instalaciones se pueden enfrentar a las exposiciones maacutes comunes de butadieno
por fallo mecaacutenico de un sello de la bomba el paquete de la vaacutelvula conexioacuten de la
tuberiacutea o junta Sin embargo los responsables emplean sistemas de seguridad
restrictivos regulados y controlados por permisos y normas
7
Exposicioacuten del consumidor de producto conteniente en butadieno los consumidores
estaacuten expuestos a niveles bajos o no detectables de butadieno (butadieno no se vende
para uso de consumidores) a traveacutes de la ingesta de alimentos que estaban
almacenados en envases contenedores de butadieno
Emisiones al medio ambiente butadieno se libera en el medio ambiente tanto de
fuentes industriales y no industriales Ante cualquier emisioacuten el sistema de control se
centra en evitar cualquier probabilidad de incendio y controlar los derrames
reduciendo la contaminacioacuten de aire suelo y aguas superficiales o subterraacuteneas Su
alta presioacuten de vapor y la insolubilidad de agua hace que se acumule en el aire creando
un riesgo en la inhalacioacuten (de ahiacute es necesario proteccioacuten de las viacuteas respiratoria ante
cualquier derrame o fuga)
Riesgo para la salud
Contacto con los ojos butadieno liacutequido puede causar la congelacioacuten si entra en
contacto con los ojos y se evapora raacutepidamente Los vapores de butadieno pueden
causar irritacioacuten en los ojos causando incomodidad y enrojecimiento
Contacto con la piel butadieno no es irritante para la piel aunque el butadieno liacutequido
puede causar congelacioacuten si entra en contacto con la piel
Ingestioacuten es poco probable ya que el material es un gas a temperatura y presioacuten
ambiente Aunque el contacto con butadieno liacutequido podriacutea dar lugar a la congelacioacuten
de los labios
Inhalacioacuten zonas cerradas o poco ventilados los vapores de butadieno se pueden
acumular y causar inconsciencia y la muerte Las exposiciones excesivas pueden causar
irritacioacuten en el sistema respiratorio superior (nariz y garganta) o efectos en el sistema
nervioso central Los siacutentomas pueden incluir efectos anesteacutesicos o narcoacuteticos como
mareo o somnolencia
Exposicioacuten repetida exposiciones excesivas repetidas se han reportado efectos en los
rintildeones el hiacutegado los ovarios las viacuteas respiratorias y los testiacuteculos La exposicioacuten
excesiva puede causar dantildeo a los oacuterganos hematopoyeacuteticos (medula oacutesea y bazo)
Carcinogenecidad el butadieno aparece como un carcinoacutegeno humano por la Agencia
Internacional para la Investigacioacuten sobre el Caacutencer
24 Procesos comerciales de butadieno
La produccioacuten de butadieno desde su descubrimiento a traveacutes de la piroacutelisis de materiales
orgaacutenicos ha sido desarrollada a la misma vez que la industria petroquiacutemica En primer lugar
8
el butadieno era generado a partir del acetileno asiacute como del etanol No obstante la
importancia de estos procesos ha disminuido debido a la creciente produccioacuten de butadieno a
partir del petroacuteleo Se han desarrollado tres sistemas de produccioacuten a traveacutes de esta fuente
[1 24]
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
Es el camino maacutes utilizado para la produccioacuten de butadieno en paiacuteses como Estados Unidos
Oeste de Europa y Japoacuten representando aproximadamente el 91 del suministro mundial de
butadieno En este caso no existe una materia prima principal sino que tanto etano propano
butano nafta y gasoacuteleo se alimentan a una pirolisis (craqueo al vapor) de horno donde
combinado con vapor de agua alcanza temperaturas de entre aproximadamente 790-830ordmC
En este rango de temperatura los enlaces C-C y C-H se rompen produciendo hidrogeno
etileno propileno butadieno benceno tolueno y otros co-productos olefiacutenicos importantes
Despueacutes de la pirolisis se enfriacutea el resto de la planta separa los productos deseados en
distintos cortes de acuerdo a las especificaciones impuestas a cada uno de ellos A
continuacioacuten se aprecia en la Figura 6 un ejemplo de los distintos rendimientos de butadieno
respecto a distintas materias primas
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas [3]
La corriente de producto de butadieno crudo final alcanza concentraciones de hasta
aproximadamente un 75 en peso (esta concentracioacuten puede variar en funcioacuten de reciclo en el
sistema)
Como se puede distinguir en la liacutenea roja de la Figura 7 el butadieno experimenta una serie de
tratamientos posterior a su piroacutelisis como enfriamiento compresioacuten lavado secado y
finalmente un proceso de extraccioacuten para obtener la corriente final de butadieno
9
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking [3]
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
Esta deshidrogenacioacuten constituye parte principal del proceso y se constituye en dos etapas de
trabajo primero convirtiendo n-butano a n-butenos y luego a butadieno (etapas
endoteacutermicas) Estas zonas presentan ademaacutes de los reactores principales (trabajando
aproximadamente en rangos de P absoluta de 12-15 cmHg y T de 600-680ordmC) dos reactores
instalados de forma continua Se pueden apreciar en la Figura 8 el segundo reactor se
utilizariacutea para la regeneracioacuten de catalizador mientras que el tercer reactor es el encargado de
purgar antes de que empiece la regeneracioacuten (de esta manera se comporta como un sistema
continua de produccioacuten)
10
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno [3]
El tiempo de residencia de la alimentacioacuten en el reactor es de aproximadamente de 5 a 15
minutos Ademaacutes a la misma vez que va disminuyendo la temperatura en el lecho de
catalizador se va formando una capa de coque en el lecho Para hacer frente al problema del
coque este proceso posee un sistema de regeneracioacuten que emplea aire precalentado para
quemar esta deposicioacuten (a la misma vez aporta el calor necesario para alcanzar la temperatura
deseada) El efluente del reactor se somete a una serie de tratamientos primer lugar la
corriente se enfriacutea en una torre de enfriamiento posteriormente se comprime antes de la
alimentacioacuten al sistema de absorcioacutenstripper En este complejo de absorcioacuten se consigue un
concentrado de C4 para el sistema final de extraccioacuten de butadieno obteniendo una corriente
de producto de butadieno de gran pureza Esta ruta de proceso se trabaja a un rango de
conversioacuten de aproximadamente un 30-40 y un rendimiento total de 60-65
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
Es un sistema que ha reemplazado a muchos procesos antiguos de produccioacuten de butadieno
debido al desarrollo de varios procesos y sistemas de catalizadores de oxideshidrogenacioacuten de
cualquier n-butano o de n-buteno El 1-buteno es mucho maacutes reactivo y requiere condiciones
de operacioacuten menos severas que la de n-butano siendo el empleo de n-butano menos
eficiente Como recomendaciones en la oxideshidrogenacioacuten una mezcla de n-butenos aire y
vapor se hace pasar sobre un lecho de catalizador a baja presioacuten y aproximadamente de 500-
600ordmC El calor de la reaccioacuten exoteacutermica puede ser eliminado indirectamente mediante la
circulacioacuten de sal fundida o por un meacutetodo alternativo que consiste en antildeadir vapor de agua a
la alimentacioacuten (actuando como disipador de calor) En el proceso Oxo-D como se observa en
11
la Figura 9 una mezcla de aire vapor y 1-buteno se hace pasar sobre el catalizador de
deshidrogenacioacuten en un proceso continuo
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos [3]
Como parte final del proceso el efluente del reactor se enfriacutea y como en el sistema anterior
los componentes C4 se recuperan en un absorbedordesgasificadorstripper El aceite como
disolvente fluye desde los fondos del stripper y regresa al absorbedor aunque antes pasa
traveacutes de una zona de purificacioacuten de disolvente Para obtener la corriente de butadieno final
es necesario eliminar la cantidad de disolvente (aceite) por medio de un stripper y un sistema
de purificacioacuten para obtener la corriente final El rango de rendimiento y selectividad puede
variar entre 70-90 lo que hace innecesario recuperar o reciclar material de alimentacioacuten (la
formacioacuten de C02 como reaccioacuten secundaria puede producir la peacuterdida de rendimiento del
proceso)
12
3 Descripcioacuten del proceso
En el estudio de este proyecto y tras analizar cada una de las opciones de trabajo para la
deshidrogenacioacuten de n-butanos se ha decidido seguir un sistema de deshidrogenacioacuten en dos
etapas [13 67]
1) Deshidrogenacioacuten no oxidativa de los n-butanos para obtener n-butenos
2) Deshidrogenacioacuten oxidativa (oxideshidrogenacioacuten) de los n-butenos para producir
butadieno
Como ya se ha dicho con anterioridad existen tres caminos de produccioacuten de butadieno sin
embargo se considera principalmente debido a la necesidad de eficiencia implantar dos fases
distintas de deshidrogenacioacuten La primera fase que corresponde al proceso Catadiene que
consiste en una deshidrogenacioacuten no oxidativa del n-butano mientras que se complementa
con una zona de oxideshidrogenacioacuten de los n-butenos Se ha decidido tomar este sistema
debido a las siguientes razones
o Mayor conversioacuten y selectividad global gracias a la oxideshidrogenacioacuten el aporte de
oxiacutegeno permite eliminar parte de hidrogeno en forma de agua (rendimiento aprox de
65 y una selectividad de 93)
o Oxiacutegeno junto al vapor alimentado disminuye la coquizacioacuten del catalizador
o Bajo consumo de vapor respecto a la deshidrogenacioacuten no oxidativa
o Adicioacuten de oxiacutegeno en la deshidrogenacioacuten de n-butanos genera una gran cantidad de
productos indeseados debido a que a las altas temperaturas requeridas favorece la
reaccioacuten del oxiacutegeno
o Butenos son muchos maacutes reactivos de ahiacute que necesiten condiciones de operacioacuten
menos severas por lo que no es praacutectico la oxideshidrogenacioacuten del n-butano
Este sistema de deshidrogenacioacuten se dividiraacute en tres fases de procesamiento como se observa
en el diagrama de bloques de la Figura 10
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno (6)
13
En primer lugar este medio de produccioacuten parte de una corriente de n-butanos isobutano
propano y un porcentaje de hidrocarburos (C5) la cual necesita ser tratada para obtener una
corriente pura de n-butanos Este sistema presenta un tren de separacioacuten en primer lugar una
columna de destilacioacuten que lo separe en una corriente de n-butano y posteriormente
aprovechar la corriente de isobutanos con un reactor de isomerizacioacuten para generar maacutes n-
butano o como producto final para otros procesos Maacutes adelante en el proyecto se decidiraacute
que se haraacute con el isobutano
Una vez obtenida la corriente de n-butano se alimenta a la zona de deshidrogenacioacuten
encargada de deshidrogenizar para conseguir el butadieno Como ya se ha enunciado se
instalaraacuten dos zonas de deshidrogenacioacuten con condiciones de operacioacuten diferentes La
deshidrogenacioacuten no oxidativa de n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica trabajando
a un rango de temperatura de 600-700ordmC y una presioacuten de 05-8 bar (3) La reaccioacuten principal
en el primer reactor seriacutea la formacioacuten de buteno a traveacutes de la peacuterdida de hidroacutegeno de n-
butano para dar 1-buteno
C4H10 C4H8 (1-buteno) + H2
Para aportar el calor necesario de reaccioacuten se puede quemar in-situ el hidroacutegeno liberado
antildeadiendo una corriente de oxiacutegeno (aire) Suele ser necesario antildeadir hidroacutegeno adicional
externamente para satisfacer totalmente el calor de reaccioacuten
H2 + O2 H2O
Estas reacciones se catalizan selectivamente por catalizadores especializados a este sistema
Los catalizadores se pueden separar en dos partes fundamentales como soporte y composicioacuten
activa En primer lugar el soporte consiste generalmente en un oacutexido resistente al calor u
oacutexido mixto Los oacutexidos empleados preferentemente son los oacutexidos de aluminio oacutexido de
cromo o dioacutexido de silicio La composicioacuten activa de los catalizadores de deshidrogenacioacuten se
comprende generalmente en uno o maacutes metales del grupo de transicioacuten VII de la tabla
perioacutedica preferentemente platino yo paladio En este caso para este reactor se utiliza el
catalizador maacutes comuacuten que es una mezcla de oacutexido de aluminio y oacutexido de cromo Los
catalizadores de deshidrogenacioacuten en su funcioacuten se degeneran con la necesidad de montar un
reactor en paralelo que permita su regeneracioacuten de forma continua Ademaacutes como se observa
14
en el diagrama de bloques de la figura 10 es necesario la aplicacioacuten a estas zonas de
deshidrogenacioacuten de aire a traveacutes del lecho catalizador
Una vez obtenida la corriente de n-butenos se alimenta al segundo reactor con la diferencia
que necesita la alimentacioacuten de oxiacutegeno para la deshidrogenacioacuten oxidativa del 1-buteno La
adiccioacuten de oxigeno permite mejorar la conversioacuten y la selectividad de la deshidrogenacioacuten de
n-buteno eliminando el hidrogeno (7)
2 C4H8 + O2 2 C4H6 + 2 H2O (Reaccioacuten principal)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O (Reaccioacuten secundaria)
Como al igual que la deshidrogenacioacuten no oxidativa para la deshidrogenacioacuten del 1-buteno se
necesita un catalizador preferentemente un sistema de oacutexido multimetaacutelico Mo-Bi-Fe-O En
esta reaccioacuten aparece la formacioacuten de CO2 como reaccioacuten secundaria indeseada a partir del 1-
buteno Una vez obtenida la corriente final de butadieno n-butano no convertido y los demaacutes
co-productos se llevan a un tren de separacioacuten que consta de una columna de destilacioacuten
extractiva con un solvente En primer lugar la columna de destilacioacuten se separa el resto de
hidrocarburos (n-butanos sin reaccionar) por cabeza mientras que el 13-butadieno sale por
fondos Los fondos presentan gran cantidad de disolvente de ahiacute que utilicen una columna de
recuperacioacuten de disolvente para obtener el butadieno final
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
xii
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos _______________________________ 28
51 Fase de tratamiento _________________________________________________ 31
511 Compresor (C-1) ________________________________________________________ 31
512 Columna de destilacioacuten (D-1) ______________________________________________ 36
513 Bomba (B-1)____________________________________________________________ 37
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3) _______________________________________ 39
52 Reactores de deshidrogenacioacuten ________________________________________ 42
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa ___________________________________ 42
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo ____________________________________ 43
53 Intercambiadores de calor ____________________________________________ 44
5 Bibliografiacutea ______________________________________________________ 47
xiii
xiv
Iacutendice de Tablas
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de tiempo de residencia normal de trabajo en reactores de
deshidrogenacioacuten no oxidativa 17
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos 18
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten 18
Tabla 4 Disolventes usaos industrialmente 19
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso 30
Tabla 6 Especificaciones de C-1 31
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1) 36
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1 37
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1 37
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2) 39
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2 40
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3) 40
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3 40
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten 41
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados 42
Tabla 16 Temperaturas de las corrientes en INT-1 44
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1 44
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2 45
Tabla 19 Temperaturas de las corrientes en INT-3 45
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4 45
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4 46
xv
xvi
Iacutendice de Figuras
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno 2
Figura 2 Propiedades de butadieno 3
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 4
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU
2000 (a la derecha) 5
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno 6
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas 8
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking 9
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno 10
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos 11
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno 12
Figura 11 Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten 15
Figura 12 Diagrama de proceso de la planta de butadieno 28
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados 34
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores 35
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso 36
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba 38
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH 39
xvii
1
1 Alcance y objetivo
En este proyecto se desarrolla la ingenieriacutea baacutesica de una planta de produccioacuten de butadieno a
partir de la deshidrogenacioacuten de n-butanos
El trabajo se centra en el estudio en profundidad del proceso de obtencioacuten de butadieno a
traveacutes de una de las rutas de proceso maacutes empleados en la actualidad deshidrogenacioacuten y
oxideshidrogenacioacuten Se marca como objetivo conocer primeramente las caracteriacutesticas del
butadieno y todas sus formas de produccioacuten para mostrar la utilidad que tiene esta ruta
actualmente A la misma vez se justifica la eleccioacuten del proceso elegido comparando las
distintas caracteriacutesticas de cada uno
En esta descripcioacuten del proceso se incluye un anaacutelisis global de cada una de las etapas para a
continuacioacuten especificar cada una de ellas Esta informacioacuten se utiliza para poder completar el
diagrama de proceso y constituir la simulacioacuten de una planta de butadieno Este trabajo
permite estudiar e investigar un proceso poco convencional y poner en praacutectica los
conocimientos estudiados Se lleva a cabo con el programa Aspen Plus donde se intenta
representar el diagrama tendiendo a todas las especificaciones impuestas y conseguir una
visioacuten real numeacuterica del proceso estudiado En este programa se pondraacute en praacutectica el uso de
balances de materia y energiacutea necesarios para comprender los resultados obtenidos Por
uacuteltimo se aprovechan los caacutelculos realizados en el simulador para disentildear los equipos maacutes
representativos en el sistema Para ello antes hay que disentildear un diagrama de proceso con las
directrices estudiadas tanto en la informacioacuten buscada como los conceptos adquiridos
Como criterio de disentildeo se fija una capacidad de produccioacuten acorde con una planta de
butadieno que utiliza como materia prima el n-butano ademaacutes de un disentildeo que represente
los equipos industriales necesarios comuacutenmente en este tipo de proceso Aunque se trata de
una ingenieriacutea baacutesica se decide durante la realizacioacuten del mismo no llevar a cabo el balance
econoacutemico de todo el proyecto ya que se considera prescindible debido a sus numerosas
praacutecticas durante la carrera
2
2 Introduccioacuten
El butadieno (se habla de 13 butadieno ya que conforma el hidrocarburo C4 insaturado maacutes
importante econoacutemicamente) es un producto importante de la industria petroquiacutemica Su
sencilla estructura quiacutemica (figura 1) combinada con su bajo peso molecular y alta reactividad
quiacutemica hace que sea un elemento muy uacutetil en la siacutentesis de otros materiales [1]
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno
Antes del desarrollo de la industria de butadieno el butadieno aparece en 1863 cuando el
quiacutemico franceacutes E Caventou aisloacute un hidrocarburo hasta ahora desconocido con la piroacutelisis de
alcohol amiacutelico Este hidrocarburo se identificoacute como butadieno en 1886 despueacutes de que
Henry Edward Amstronglo lo aislara de unos de los productos de la piroacutelisis de petroacuteleo En
1910 el quiacutemico ruso Sergei Lebedev polimerizoacute el butadieno obteniendo un material con
propiedades similares al caucho Este poliacutemero no fue lo suficiente adecuado para reemplazar
el caucho natural en muchas aplicaciones sobre todo en los neumaacuteticos del automoacutevil A partir
de ahiacute la industria de butadieno se centroacute en las necesidades de la Segunda Guerra Mundial
ya que las naciones combatientes como Alemania y Estados Unidos apostaron por disminuir la
dependencia de las industrias del caucho controladas por el Gobierno Britaacutenico [1]
Hasta la actualidad la produccioacuten mundial de butadieno ha estado ligada a la demanda de
manufacturacioacuten de neumaacuteticos Como estudios de 2015 reflejan por primera vez desde 2000
la produccioacuten europea de caucho sinteacutetico a partir de butadieno superoacute la demanda como
resultado de la contraccioacuten de la industria automoviliacutestica Este mismo estudio cifra que la
demanda europea fue de 2459778 toneladas mientras que la produccioacuten se situoacute en
2246137 toneladas Sin embargo observando el futuro de este producto se espera invertir la
situacioacuten superando la produccioacuten a la demanda por 162953 toneladas Ante esta situacioacuten las
3
empresas se mueven hacia un mercado de exportacioacuten con el objetivo de conseguir la
produccioacuten deseada Alguacuten ejemplo apreciable es la expansioacuten de la empresa alemana
LyondellBsell con su unidad de extraccioacuten en Wesseling Alemania y los planes de Versalis para
construir una nueva unidad de 70000 toneladasantildeo en su planta de Dunkerque Francia [2]
21 Caracteriacutesticas de butadieno
Este compuesto presenta propiedades quiacutemicas y fiacutesicas como gas inflamable incoloro con un
olor suave y aromaacutetico ademaacutes de ser altamente reactivo Es soluble en alcohol y eacuteter
insoluble en agua y se polimeriza faacutecilmente (en particular si el oxiacutegeno estaacute presente) Debido
a sus dobles enlaces conjugados pueden tomar parte en numerosas reacciones que incluyen
12- y 14- adicionales con siacute mismo (polimerizacioacuten) y de otros reactivos la dimerizacioacuten lineal
y de trimerizacioacuten y formacioacuten de anillo En la figura 2 siguiente muestra una tabla con las
propiedades principales de este compuesto
Figura 2 Propiedades de butadieno [3]
El 13-butadieno el dieno conjugado maacutes simple ha sido sometido a numerosos estudios para
comprender todas sus propiedades fiacutesicas y quiacutemicas La unioacuten de los dobles enlaces hace que
sea 15kJmol maacutes estable termodinaacutemicamente que una moleacutecula con dos enlaces simples La
4
longitud del doble enlace en 13-butadieno es 0134 nm y los enlaces simples 0148 Ya que los
enlaces simples de carbono-carbono son normalmente de 0154 nm esto indica el grado de
doble enlace en la mitad de enlace simple [4]
22 Aplicaciones
La produccioacuten de butadieno mundial estaacute dominada por las fracciones de craqueo por vapor
de C4 convirtieacutendose en la ruta ideal para maacutes del 95 de la produccioacuten de butadieno En la
Figura 3 se puede distinguir la situacioacuten mundial de butadieno en 1998 y destacar por
ejemplo que en el caso de Europa Occidental la materia especiacutefica de craqueo se centra en la
nafta El motivo de este dominio son los altos rendimientos conseguidos a traveacutes de este
medio sin embargo en la actualidad su aplicacioacuten ha disminuido ligeramente debido al
desarrollo de nuevas teacutecnicas de deshidrogenacioacuten oxidativa como se veraacute en los apartados
siguientes
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 [1]
El butadieno se usa principalmente como monoacutemero en la fabricacioacuten de cauchos o
elastoacutemeros sinteacuteticos como se aprecia en la Figura 4 suponiendo aproximadamente el 70
del uso de butadieno Entre los poliacutemeros destacados de esta aplicacioacuten son Estireno-
butadieno (SBR) caucho de polibutadieno (PBR) policloropreno (Neopreno) y caucho de
nitrilo (NBR) Ademaacutes como monoacutemero es importante como intermediario en la produccioacuten de
algunos productos quiacutemicos (gracias a su alta reactividad quiacutemica) Los cauchos anteriormente
mencionados se distinguiriacutean de la siguiente forma [4]
Caucho estireno-butadieno (SBR) se obtiene por la polimerizacioacuten de estireno y
butadieno constituyendo la mayor aplicacioacuten de butadieno El uso principal de SBR
5
estaacute en neumaacuteticos y en menor cantidad en adhesivos y selladores suelas de zapatos
revestimientos de alambre y cable
Polibutadieno (PB) producido por la polimerizacioacuten de butadieno es el segundo
monoacutemero maacutes usado Ademaacutes de coacutemo materia prima para neumaacuteticos el PB se
utiliza como producto intermedio en la produccioacuten de acrilonitrilo-butadieno-estireno
(ABS) y modificadores de impacto
Laacutetex Estireno-butadieno (SBL) se trata de una dispersioacuten acuosa estable que contiene
discretas partiacuteculas de poliacutemero de aproximadamente 005 a 5 microacutemetros de
diaacutemetro Entre sus aplicaciones consta la goma espuma (cojines esponjas) adhesivos
(pavimentos azulejos) selladores y revestimientos de papel
Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno (ABS) resinas ABS son mezclas de dos fases Se pueden
producir por polimerizacioacuten donde los homopoliacutemeros de polibutadieno se injertan en
un copoliacutemero de estierno-acronitrilo Estas resinas posee una amplia gama de
aplicaciones que incluyen de piezas de automoacuteviles teleacutefonos maacutequinas de oficina tales
como ordenadores y electrodomeacutesticos
Caucho de nitrilo (NBR) este caucho es producido en menor cantidad que los anteriores
y se obtiene a partir de la copolimerizacioacuten de acrilonitrilo y butadieno Este material se
utiliza en productos como mangueras tuberiacuteas de combustible adhesivos guantes y
calzado
Copoliacutemero de bloques de Estireno-butadieno (SBS Y SEBS) sus aplicaciones son incluidas
en aditivos para aceites lubricantes adhesivos aplicaciones de automocioacuten alimentos y
otro tipo de envases dispositivos meacutedicos
Metacrilato de metilo-butadieno-estireno (MMBS) su produccioacuten es maacutes escasa ya que
se dedica como modificador de impacto en piezas de automoacuteviles botellas y envases de
alimentos
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU 2000 (a la derecha) [45]
6
Ademaacutes de los poliacutemeros como se mencionoacute anteriormente el butadieno constituye distintos
intermediarios quiacutemicos En la figura 5 puede apreciarse los tipos de poliacutemeros enumerados y
los compuestos quiacutemicos principales como adiponitrilo cloropropano y sus posteriores
aplicaciones
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno [4]
23 Potencial de exposicioacuten
El butadieno forma parte en la produccioacuten de productos industriales y de consumo sin
embargo sobre la base de estos usos los individuos pueden estar expuestos de diferentes
formas [5]
Exposicioacuten Diaria es la exposicioacuten que afecta a los individuos que trabajan en
instalaciones de butadieno y plantas de productos que emplean este compuesto En
estas instalaciones se pueden enfrentar a las exposiciones maacutes comunes de butadieno
por fallo mecaacutenico de un sello de la bomba el paquete de la vaacutelvula conexioacuten de la
tuberiacutea o junta Sin embargo los responsables emplean sistemas de seguridad
restrictivos regulados y controlados por permisos y normas
7
Exposicioacuten del consumidor de producto conteniente en butadieno los consumidores
estaacuten expuestos a niveles bajos o no detectables de butadieno (butadieno no se vende
para uso de consumidores) a traveacutes de la ingesta de alimentos que estaban
almacenados en envases contenedores de butadieno
Emisiones al medio ambiente butadieno se libera en el medio ambiente tanto de
fuentes industriales y no industriales Ante cualquier emisioacuten el sistema de control se
centra en evitar cualquier probabilidad de incendio y controlar los derrames
reduciendo la contaminacioacuten de aire suelo y aguas superficiales o subterraacuteneas Su
alta presioacuten de vapor y la insolubilidad de agua hace que se acumule en el aire creando
un riesgo en la inhalacioacuten (de ahiacute es necesario proteccioacuten de las viacuteas respiratoria ante
cualquier derrame o fuga)
Riesgo para la salud
Contacto con los ojos butadieno liacutequido puede causar la congelacioacuten si entra en
contacto con los ojos y se evapora raacutepidamente Los vapores de butadieno pueden
causar irritacioacuten en los ojos causando incomodidad y enrojecimiento
Contacto con la piel butadieno no es irritante para la piel aunque el butadieno liacutequido
puede causar congelacioacuten si entra en contacto con la piel
Ingestioacuten es poco probable ya que el material es un gas a temperatura y presioacuten
ambiente Aunque el contacto con butadieno liacutequido podriacutea dar lugar a la congelacioacuten
de los labios
Inhalacioacuten zonas cerradas o poco ventilados los vapores de butadieno se pueden
acumular y causar inconsciencia y la muerte Las exposiciones excesivas pueden causar
irritacioacuten en el sistema respiratorio superior (nariz y garganta) o efectos en el sistema
nervioso central Los siacutentomas pueden incluir efectos anesteacutesicos o narcoacuteticos como
mareo o somnolencia
Exposicioacuten repetida exposiciones excesivas repetidas se han reportado efectos en los
rintildeones el hiacutegado los ovarios las viacuteas respiratorias y los testiacuteculos La exposicioacuten
excesiva puede causar dantildeo a los oacuterganos hematopoyeacuteticos (medula oacutesea y bazo)
Carcinogenecidad el butadieno aparece como un carcinoacutegeno humano por la Agencia
Internacional para la Investigacioacuten sobre el Caacutencer
24 Procesos comerciales de butadieno
La produccioacuten de butadieno desde su descubrimiento a traveacutes de la piroacutelisis de materiales
orgaacutenicos ha sido desarrollada a la misma vez que la industria petroquiacutemica En primer lugar
8
el butadieno era generado a partir del acetileno asiacute como del etanol No obstante la
importancia de estos procesos ha disminuido debido a la creciente produccioacuten de butadieno a
partir del petroacuteleo Se han desarrollado tres sistemas de produccioacuten a traveacutes de esta fuente
[1 24]
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
Es el camino maacutes utilizado para la produccioacuten de butadieno en paiacuteses como Estados Unidos
Oeste de Europa y Japoacuten representando aproximadamente el 91 del suministro mundial de
butadieno En este caso no existe una materia prima principal sino que tanto etano propano
butano nafta y gasoacuteleo se alimentan a una pirolisis (craqueo al vapor) de horno donde
combinado con vapor de agua alcanza temperaturas de entre aproximadamente 790-830ordmC
En este rango de temperatura los enlaces C-C y C-H se rompen produciendo hidrogeno
etileno propileno butadieno benceno tolueno y otros co-productos olefiacutenicos importantes
Despueacutes de la pirolisis se enfriacutea el resto de la planta separa los productos deseados en
distintos cortes de acuerdo a las especificaciones impuestas a cada uno de ellos A
continuacioacuten se aprecia en la Figura 6 un ejemplo de los distintos rendimientos de butadieno
respecto a distintas materias primas
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas [3]
La corriente de producto de butadieno crudo final alcanza concentraciones de hasta
aproximadamente un 75 en peso (esta concentracioacuten puede variar en funcioacuten de reciclo en el
sistema)
Como se puede distinguir en la liacutenea roja de la Figura 7 el butadieno experimenta una serie de
tratamientos posterior a su piroacutelisis como enfriamiento compresioacuten lavado secado y
finalmente un proceso de extraccioacuten para obtener la corriente final de butadieno
9
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking [3]
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
Esta deshidrogenacioacuten constituye parte principal del proceso y se constituye en dos etapas de
trabajo primero convirtiendo n-butano a n-butenos y luego a butadieno (etapas
endoteacutermicas) Estas zonas presentan ademaacutes de los reactores principales (trabajando
aproximadamente en rangos de P absoluta de 12-15 cmHg y T de 600-680ordmC) dos reactores
instalados de forma continua Se pueden apreciar en la Figura 8 el segundo reactor se
utilizariacutea para la regeneracioacuten de catalizador mientras que el tercer reactor es el encargado de
purgar antes de que empiece la regeneracioacuten (de esta manera se comporta como un sistema
continua de produccioacuten)
10
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno [3]
El tiempo de residencia de la alimentacioacuten en el reactor es de aproximadamente de 5 a 15
minutos Ademaacutes a la misma vez que va disminuyendo la temperatura en el lecho de
catalizador se va formando una capa de coque en el lecho Para hacer frente al problema del
coque este proceso posee un sistema de regeneracioacuten que emplea aire precalentado para
quemar esta deposicioacuten (a la misma vez aporta el calor necesario para alcanzar la temperatura
deseada) El efluente del reactor se somete a una serie de tratamientos primer lugar la
corriente se enfriacutea en una torre de enfriamiento posteriormente se comprime antes de la
alimentacioacuten al sistema de absorcioacutenstripper En este complejo de absorcioacuten se consigue un
concentrado de C4 para el sistema final de extraccioacuten de butadieno obteniendo una corriente
de producto de butadieno de gran pureza Esta ruta de proceso se trabaja a un rango de
conversioacuten de aproximadamente un 30-40 y un rendimiento total de 60-65
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
Es un sistema que ha reemplazado a muchos procesos antiguos de produccioacuten de butadieno
debido al desarrollo de varios procesos y sistemas de catalizadores de oxideshidrogenacioacuten de
cualquier n-butano o de n-buteno El 1-buteno es mucho maacutes reactivo y requiere condiciones
de operacioacuten menos severas que la de n-butano siendo el empleo de n-butano menos
eficiente Como recomendaciones en la oxideshidrogenacioacuten una mezcla de n-butenos aire y
vapor se hace pasar sobre un lecho de catalizador a baja presioacuten y aproximadamente de 500-
600ordmC El calor de la reaccioacuten exoteacutermica puede ser eliminado indirectamente mediante la
circulacioacuten de sal fundida o por un meacutetodo alternativo que consiste en antildeadir vapor de agua a
la alimentacioacuten (actuando como disipador de calor) En el proceso Oxo-D como se observa en
11
la Figura 9 una mezcla de aire vapor y 1-buteno se hace pasar sobre el catalizador de
deshidrogenacioacuten en un proceso continuo
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos [3]
Como parte final del proceso el efluente del reactor se enfriacutea y como en el sistema anterior
los componentes C4 se recuperan en un absorbedordesgasificadorstripper El aceite como
disolvente fluye desde los fondos del stripper y regresa al absorbedor aunque antes pasa
traveacutes de una zona de purificacioacuten de disolvente Para obtener la corriente de butadieno final
es necesario eliminar la cantidad de disolvente (aceite) por medio de un stripper y un sistema
de purificacioacuten para obtener la corriente final El rango de rendimiento y selectividad puede
variar entre 70-90 lo que hace innecesario recuperar o reciclar material de alimentacioacuten (la
formacioacuten de C02 como reaccioacuten secundaria puede producir la peacuterdida de rendimiento del
proceso)
12
3 Descripcioacuten del proceso
En el estudio de este proyecto y tras analizar cada una de las opciones de trabajo para la
deshidrogenacioacuten de n-butanos se ha decidido seguir un sistema de deshidrogenacioacuten en dos
etapas [13 67]
1) Deshidrogenacioacuten no oxidativa de los n-butanos para obtener n-butenos
2) Deshidrogenacioacuten oxidativa (oxideshidrogenacioacuten) de los n-butenos para producir
butadieno
Como ya se ha dicho con anterioridad existen tres caminos de produccioacuten de butadieno sin
embargo se considera principalmente debido a la necesidad de eficiencia implantar dos fases
distintas de deshidrogenacioacuten La primera fase que corresponde al proceso Catadiene que
consiste en una deshidrogenacioacuten no oxidativa del n-butano mientras que se complementa
con una zona de oxideshidrogenacioacuten de los n-butenos Se ha decidido tomar este sistema
debido a las siguientes razones
o Mayor conversioacuten y selectividad global gracias a la oxideshidrogenacioacuten el aporte de
oxiacutegeno permite eliminar parte de hidrogeno en forma de agua (rendimiento aprox de
65 y una selectividad de 93)
o Oxiacutegeno junto al vapor alimentado disminuye la coquizacioacuten del catalizador
o Bajo consumo de vapor respecto a la deshidrogenacioacuten no oxidativa
o Adicioacuten de oxiacutegeno en la deshidrogenacioacuten de n-butanos genera una gran cantidad de
productos indeseados debido a que a las altas temperaturas requeridas favorece la
reaccioacuten del oxiacutegeno
o Butenos son muchos maacutes reactivos de ahiacute que necesiten condiciones de operacioacuten
menos severas por lo que no es praacutectico la oxideshidrogenacioacuten del n-butano
Este sistema de deshidrogenacioacuten se dividiraacute en tres fases de procesamiento como se observa
en el diagrama de bloques de la Figura 10
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno (6)
13
En primer lugar este medio de produccioacuten parte de una corriente de n-butanos isobutano
propano y un porcentaje de hidrocarburos (C5) la cual necesita ser tratada para obtener una
corriente pura de n-butanos Este sistema presenta un tren de separacioacuten en primer lugar una
columna de destilacioacuten que lo separe en una corriente de n-butano y posteriormente
aprovechar la corriente de isobutanos con un reactor de isomerizacioacuten para generar maacutes n-
butano o como producto final para otros procesos Maacutes adelante en el proyecto se decidiraacute
que se haraacute con el isobutano
Una vez obtenida la corriente de n-butano se alimenta a la zona de deshidrogenacioacuten
encargada de deshidrogenizar para conseguir el butadieno Como ya se ha enunciado se
instalaraacuten dos zonas de deshidrogenacioacuten con condiciones de operacioacuten diferentes La
deshidrogenacioacuten no oxidativa de n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica trabajando
a un rango de temperatura de 600-700ordmC y una presioacuten de 05-8 bar (3) La reaccioacuten principal
en el primer reactor seriacutea la formacioacuten de buteno a traveacutes de la peacuterdida de hidroacutegeno de n-
butano para dar 1-buteno
C4H10 C4H8 (1-buteno) + H2
Para aportar el calor necesario de reaccioacuten se puede quemar in-situ el hidroacutegeno liberado
antildeadiendo una corriente de oxiacutegeno (aire) Suele ser necesario antildeadir hidroacutegeno adicional
externamente para satisfacer totalmente el calor de reaccioacuten
H2 + O2 H2O
Estas reacciones se catalizan selectivamente por catalizadores especializados a este sistema
Los catalizadores se pueden separar en dos partes fundamentales como soporte y composicioacuten
activa En primer lugar el soporte consiste generalmente en un oacutexido resistente al calor u
oacutexido mixto Los oacutexidos empleados preferentemente son los oacutexidos de aluminio oacutexido de
cromo o dioacutexido de silicio La composicioacuten activa de los catalizadores de deshidrogenacioacuten se
comprende generalmente en uno o maacutes metales del grupo de transicioacuten VII de la tabla
perioacutedica preferentemente platino yo paladio En este caso para este reactor se utiliza el
catalizador maacutes comuacuten que es una mezcla de oacutexido de aluminio y oacutexido de cromo Los
catalizadores de deshidrogenacioacuten en su funcioacuten se degeneran con la necesidad de montar un
reactor en paralelo que permita su regeneracioacuten de forma continua Ademaacutes como se observa
14
en el diagrama de bloques de la figura 10 es necesario la aplicacioacuten a estas zonas de
deshidrogenacioacuten de aire a traveacutes del lecho catalizador
Una vez obtenida la corriente de n-butenos se alimenta al segundo reactor con la diferencia
que necesita la alimentacioacuten de oxiacutegeno para la deshidrogenacioacuten oxidativa del 1-buteno La
adiccioacuten de oxigeno permite mejorar la conversioacuten y la selectividad de la deshidrogenacioacuten de
n-buteno eliminando el hidrogeno (7)
2 C4H8 + O2 2 C4H6 + 2 H2O (Reaccioacuten principal)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O (Reaccioacuten secundaria)
Como al igual que la deshidrogenacioacuten no oxidativa para la deshidrogenacioacuten del 1-buteno se
necesita un catalizador preferentemente un sistema de oacutexido multimetaacutelico Mo-Bi-Fe-O En
esta reaccioacuten aparece la formacioacuten de CO2 como reaccioacuten secundaria indeseada a partir del 1-
buteno Una vez obtenida la corriente final de butadieno n-butano no convertido y los demaacutes
co-productos se llevan a un tren de separacioacuten que consta de una columna de destilacioacuten
extractiva con un solvente En primer lugar la columna de destilacioacuten se separa el resto de
hidrocarburos (n-butanos sin reaccionar) por cabeza mientras que el 13-butadieno sale por
fondos Los fondos presentan gran cantidad de disolvente de ahiacute que utilicen una columna de
recuperacioacuten de disolvente para obtener el butadieno final
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
xiii
xiv
Iacutendice de Tablas
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de tiempo de residencia normal de trabajo en reactores de
deshidrogenacioacuten no oxidativa 17
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos 18
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten 18
Tabla 4 Disolventes usaos industrialmente 19
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso 30
Tabla 6 Especificaciones de C-1 31
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1) 36
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1 37
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1 37
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2) 39
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2 40
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3) 40
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3 40
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten 41
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados 42
Tabla 16 Temperaturas de las corrientes en INT-1 44
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1 44
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2 45
Tabla 19 Temperaturas de las corrientes en INT-3 45
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4 45
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4 46
xv
xvi
Iacutendice de Figuras
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno 2
Figura 2 Propiedades de butadieno 3
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 4
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU
2000 (a la derecha) 5
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno 6
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas 8
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking 9
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno 10
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos 11
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno 12
Figura 11 Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten 15
Figura 12 Diagrama de proceso de la planta de butadieno 28
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados 34
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores 35
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso 36
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba 38
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH 39
xvii
1
1 Alcance y objetivo
En este proyecto se desarrolla la ingenieriacutea baacutesica de una planta de produccioacuten de butadieno a
partir de la deshidrogenacioacuten de n-butanos
El trabajo se centra en el estudio en profundidad del proceso de obtencioacuten de butadieno a
traveacutes de una de las rutas de proceso maacutes empleados en la actualidad deshidrogenacioacuten y
oxideshidrogenacioacuten Se marca como objetivo conocer primeramente las caracteriacutesticas del
butadieno y todas sus formas de produccioacuten para mostrar la utilidad que tiene esta ruta
actualmente A la misma vez se justifica la eleccioacuten del proceso elegido comparando las
distintas caracteriacutesticas de cada uno
En esta descripcioacuten del proceso se incluye un anaacutelisis global de cada una de las etapas para a
continuacioacuten especificar cada una de ellas Esta informacioacuten se utiliza para poder completar el
diagrama de proceso y constituir la simulacioacuten de una planta de butadieno Este trabajo
permite estudiar e investigar un proceso poco convencional y poner en praacutectica los
conocimientos estudiados Se lleva a cabo con el programa Aspen Plus donde se intenta
representar el diagrama tendiendo a todas las especificaciones impuestas y conseguir una
visioacuten real numeacuterica del proceso estudiado En este programa se pondraacute en praacutectica el uso de
balances de materia y energiacutea necesarios para comprender los resultados obtenidos Por
uacuteltimo se aprovechan los caacutelculos realizados en el simulador para disentildear los equipos maacutes
representativos en el sistema Para ello antes hay que disentildear un diagrama de proceso con las
directrices estudiadas tanto en la informacioacuten buscada como los conceptos adquiridos
Como criterio de disentildeo se fija una capacidad de produccioacuten acorde con una planta de
butadieno que utiliza como materia prima el n-butano ademaacutes de un disentildeo que represente
los equipos industriales necesarios comuacutenmente en este tipo de proceso Aunque se trata de
una ingenieriacutea baacutesica se decide durante la realizacioacuten del mismo no llevar a cabo el balance
econoacutemico de todo el proyecto ya que se considera prescindible debido a sus numerosas
praacutecticas durante la carrera
2
2 Introduccioacuten
El butadieno (se habla de 13 butadieno ya que conforma el hidrocarburo C4 insaturado maacutes
importante econoacutemicamente) es un producto importante de la industria petroquiacutemica Su
sencilla estructura quiacutemica (figura 1) combinada con su bajo peso molecular y alta reactividad
quiacutemica hace que sea un elemento muy uacutetil en la siacutentesis de otros materiales [1]
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno
Antes del desarrollo de la industria de butadieno el butadieno aparece en 1863 cuando el
quiacutemico franceacutes E Caventou aisloacute un hidrocarburo hasta ahora desconocido con la piroacutelisis de
alcohol amiacutelico Este hidrocarburo se identificoacute como butadieno en 1886 despueacutes de que
Henry Edward Amstronglo lo aislara de unos de los productos de la piroacutelisis de petroacuteleo En
1910 el quiacutemico ruso Sergei Lebedev polimerizoacute el butadieno obteniendo un material con
propiedades similares al caucho Este poliacutemero no fue lo suficiente adecuado para reemplazar
el caucho natural en muchas aplicaciones sobre todo en los neumaacuteticos del automoacutevil A partir
de ahiacute la industria de butadieno se centroacute en las necesidades de la Segunda Guerra Mundial
ya que las naciones combatientes como Alemania y Estados Unidos apostaron por disminuir la
dependencia de las industrias del caucho controladas por el Gobierno Britaacutenico [1]
Hasta la actualidad la produccioacuten mundial de butadieno ha estado ligada a la demanda de
manufacturacioacuten de neumaacuteticos Como estudios de 2015 reflejan por primera vez desde 2000
la produccioacuten europea de caucho sinteacutetico a partir de butadieno superoacute la demanda como
resultado de la contraccioacuten de la industria automoviliacutestica Este mismo estudio cifra que la
demanda europea fue de 2459778 toneladas mientras que la produccioacuten se situoacute en
2246137 toneladas Sin embargo observando el futuro de este producto se espera invertir la
situacioacuten superando la produccioacuten a la demanda por 162953 toneladas Ante esta situacioacuten las
3
empresas se mueven hacia un mercado de exportacioacuten con el objetivo de conseguir la
produccioacuten deseada Alguacuten ejemplo apreciable es la expansioacuten de la empresa alemana
LyondellBsell con su unidad de extraccioacuten en Wesseling Alemania y los planes de Versalis para
construir una nueva unidad de 70000 toneladasantildeo en su planta de Dunkerque Francia [2]
21 Caracteriacutesticas de butadieno
Este compuesto presenta propiedades quiacutemicas y fiacutesicas como gas inflamable incoloro con un
olor suave y aromaacutetico ademaacutes de ser altamente reactivo Es soluble en alcohol y eacuteter
insoluble en agua y se polimeriza faacutecilmente (en particular si el oxiacutegeno estaacute presente) Debido
a sus dobles enlaces conjugados pueden tomar parte en numerosas reacciones que incluyen
12- y 14- adicionales con siacute mismo (polimerizacioacuten) y de otros reactivos la dimerizacioacuten lineal
y de trimerizacioacuten y formacioacuten de anillo En la figura 2 siguiente muestra una tabla con las
propiedades principales de este compuesto
Figura 2 Propiedades de butadieno [3]
El 13-butadieno el dieno conjugado maacutes simple ha sido sometido a numerosos estudios para
comprender todas sus propiedades fiacutesicas y quiacutemicas La unioacuten de los dobles enlaces hace que
sea 15kJmol maacutes estable termodinaacutemicamente que una moleacutecula con dos enlaces simples La
4
longitud del doble enlace en 13-butadieno es 0134 nm y los enlaces simples 0148 Ya que los
enlaces simples de carbono-carbono son normalmente de 0154 nm esto indica el grado de
doble enlace en la mitad de enlace simple [4]
22 Aplicaciones
La produccioacuten de butadieno mundial estaacute dominada por las fracciones de craqueo por vapor
de C4 convirtieacutendose en la ruta ideal para maacutes del 95 de la produccioacuten de butadieno En la
Figura 3 se puede distinguir la situacioacuten mundial de butadieno en 1998 y destacar por
ejemplo que en el caso de Europa Occidental la materia especiacutefica de craqueo se centra en la
nafta El motivo de este dominio son los altos rendimientos conseguidos a traveacutes de este
medio sin embargo en la actualidad su aplicacioacuten ha disminuido ligeramente debido al
desarrollo de nuevas teacutecnicas de deshidrogenacioacuten oxidativa como se veraacute en los apartados
siguientes
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 [1]
El butadieno se usa principalmente como monoacutemero en la fabricacioacuten de cauchos o
elastoacutemeros sinteacuteticos como se aprecia en la Figura 4 suponiendo aproximadamente el 70
del uso de butadieno Entre los poliacutemeros destacados de esta aplicacioacuten son Estireno-
butadieno (SBR) caucho de polibutadieno (PBR) policloropreno (Neopreno) y caucho de
nitrilo (NBR) Ademaacutes como monoacutemero es importante como intermediario en la produccioacuten de
algunos productos quiacutemicos (gracias a su alta reactividad quiacutemica) Los cauchos anteriormente
mencionados se distinguiriacutean de la siguiente forma [4]
Caucho estireno-butadieno (SBR) se obtiene por la polimerizacioacuten de estireno y
butadieno constituyendo la mayor aplicacioacuten de butadieno El uso principal de SBR
5
estaacute en neumaacuteticos y en menor cantidad en adhesivos y selladores suelas de zapatos
revestimientos de alambre y cable
Polibutadieno (PB) producido por la polimerizacioacuten de butadieno es el segundo
monoacutemero maacutes usado Ademaacutes de coacutemo materia prima para neumaacuteticos el PB se
utiliza como producto intermedio en la produccioacuten de acrilonitrilo-butadieno-estireno
(ABS) y modificadores de impacto
Laacutetex Estireno-butadieno (SBL) se trata de una dispersioacuten acuosa estable que contiene
discretas partiacuteculas de poliacutemero de aproximadamente 005 a 5 microacutemetros de
diaacutemetro Entre sus aplicaciones consta la goma espuma (cojines esponjas) adhesivos
(pavimentos azulejos) selladores y revestimientos de papel
Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno (ABS) resinas ABS son mezclas de dos fases Se pueden
producir por polimerizacioacuten donde los homopoliacutemeros de polibutadieno se injertan en
un copoliacutemero de estierno-acronitrilo Estas resinas posee una amplia gama de
aplicaciones que incluyen de piezas de automoacuteviles teleacutefonos maacutequinas de oficina tales
como ordenadores y electrodomeacutesticos
Caucho de nitrilo (NBR) este caucho es producido en menor cantidad que los anteriores
y se obtiene a partir de la copolimerizacioacuten de acrilonitrilo y butadieno Este material se
utiliza en productos como mangueras tuberiacuteas de combustible adhesivos guantes y
calzado
Copoliacutemero de bloques de Estireno-butadieno (SBS Y SEBS) sus aplicaciones son incluidas
en aditivos para aceites lubricantes adhesivos aplicaciones de automocioacuten alimentos y
otro tipo de envases dispositivos meacutedicos
Metacrilato de metilo-butadieno-estireno (MMBS) su produccioacuten es maacutes escasa ya que
se dedica como modificador de impacto en piezas de automoacuteviles botellas y envases de
alimentos
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU 2000 (a la derecha) [45]
6
Ademaacutes de los poliacutemeros como se mencionoacute anteriormente el butadieno constituye distintos
intermediarios quiacutemicos En la figura 5 puede apreciarse los tipos de poliacutemeros enumerados y
los compuestos quiacutemicos principales como adiponitrilo cloropropano y sus posteriores
aplicaciones
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno [4]
23 Potencial de exposicioacuten
El butadieno forma parte en la produccioacuten de productos industriales y de consumo sin
embargo sobre la base de estos usos los individuos pueden estar expuestos de diferentes
formas [5]
Exposicioacuten Diaria es la exposicioacuten que afecta a los individuos que trabajan en
instalaciones de butadieno y plantas de productos que emplean este compuesto En
estas instalaciones se pueden enfrentar a las exposiciones maacutes comunes de butadieno
por fallo mecaacutenico de un sello de la bomba el paquete de la vaacutelvula conexioacuten de la
tuberiacutea o junta Sin embargo los responsables emplean sistemas de seguridad
restrictivos regulados y controlados por permisos y normas
7
Exposicioacuten del consumidor de producto conteniente en butadieno los consumidores
estaacuten expuestos a niveles bajos o no detectables de butadieno (butadieno no se vende
para uso de consumidores) a traveacutes de la ingesta de alimentos que estaban
almacenados en envases contenedores de butadieno
Emisiones al medio ambiente butadieno se libera en el medio ambiente tanto de
fuentes industriales y no industriales Ante cualquier emisioacuten el sistema de control se
centra en evitar cualquier probabilidad de incendio y controlar los derrames
reduciendo la contaminacioacuten de aire suelo y aguas superficiales o subterraacuteneas Su
alta presioacuten de vapor y la insolubilidad de agua hace que se acumule en el aire creando
un riesgo en la inhalacioacuten (de ahiacute es necesario proteccioacuten de las viacuteas respiratoria ante
cualquier derrame o fuga)
Riesgo para la salud
Contacto con los ojos butadieno liacutequido puede causar la congelacioacuten si entra en
contacto con los ojos y se evapora raacutepidamente Los vapores de butadieno pueden
causar irritacioacuten en los ojos causando incomodidad y enrojecimiento
Contacto con la piel butadieno no es irritante para la piel aunque el butadieno liacutequido
puede causar congelacioacuten si entra en contacto con la piel
Ingestioacuten es poco probable ya que el material es un gas a temperatura y presioacuten
ambiente Aunque el contacto con butadieno liacutequido podriacutea dar lugar a la congelacioacuten
de los labios
Inhalacioacuten zonas cerradas o poco ventilados los vapores de butadieno se pueden
acumular y causar inconsciencia y la muerte Las exposiciones excesivas pueden causar
irritacioacuten en el sistema respiratorio superior (nariz y garganta) o efectos en el sistema
nervioso central Los siacutentomas pueden incluir efectos anesteacutesicos o narcoacuteticos como
mareo o somnolencia
Exposicioacuten repetida exposiciones excesivas repetidas se han reportado efectos en los
rintildeones el hiacutegado los ovarios las viacuteas respiratorias y los testiacuteculos La exposicioacuten
excesiva puede causar dantildeo a los oacuterganos hematopoyeacuteticos (medula oacutesea y bazo)
Carcinogenecidad el butadieno aparece como un carcinoacutegeno humano por la Agencia
Internacional para la Investigacioacuten sobre el Caacutencer
24 Procesos comerciales de butadieno
La produccioacuten de butadieno desde su descubrimiento a traveacutes de la piroacutelisis de materiales
orgaacutenicos ha sido desarrollada a la misma vez que la industria petroquiacutemica En primer lugar
8
el butadieno era generado a partir del acetileno asiacute como del etanol No obstante la
importancia de estos procesos ha disminuido debido a la creciente produccioacuten de butadieno a
partir del petroacuteleo Se han desarrollado tres sistemas de produccioacuten a traveacutes de esta fuente
[1 24]
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
Es el camino maacutes utilizado para la produccioacuten de butadieno en paiacuteses como Estados Unidos
Oeste de Europa y Japoacuten representando aproximadamente el 91 del suministro mundial de
butadieno En este caso no existe una materia prima principal sino que tanto etano propano
butano nafta y gasoacuteleo se alimentan a una pirolisis (craqueo al vapor) de horno donde
combinado con vapor de agua alcanza temperaturas de entre aproximadamente 790-830ordmC
En este rango de temperatura los enlaces C-C y C-H se rompen produciendo hidrogeno
etileno propileno butadieno benceno tolueno y otros co-productos olefiacutenicos importantes
Despueacutes de la pirolisis se enfriacutea el resto de la planta separa los productos deseados en
distintos cortes de acuerdo a las especificaciones impuestas a cada uno de ellos A
continuacioacuten se aprecia en la Figura 6 un ejemplo de los distintos rendimientos de butadieno
respecto a distintas materias primas
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas [3]
La corriente de producto de butadieno crudo final alcanza concentraciones de hasta
aproximadamente un 75 en peso (esta concentracioacuten puede variar en funcioacuten de reciclo en el
sistema)
Como se puede distinguir en la liacutenea roja de la Figura 7 el butadieno experimenta una serie de
tratamientos posterior a su piroacutelisis como enfriamiento compresioacuten lavado secado y
finalmente un proceso de extraccioacuten para obtener la corriente final de butadieno
9
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking [3]
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
Esta deshidrogenacioacuten constituye parte principal del proceso y se constituye en dos etapas de
trabajo primero convirtiendo n-butano a n-butenos y luego a butadieno (etapas
endoteacutermicas) Estas zonas presentan ademaacutes de los reactores principales (trabajando
aproximadamente en rangos de P absoluta de 12-15 cmHg y T de 600-680ordmC) dos reactores
instalados de forma continua Se pueden apreciar en la Figura 8 el segundo reactor se
utilizariacutea para la regeneracioacuten de catalizador mientras que el tercer reactor es el encargado de
purgar antes de que empiece la regeneracioacuten (de esta manera se comporta como un sistema
continua de produccioacuten)
10
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno [3]
El tiempo de residencia de la alimentacioacuten en el reactor es de aproximadamente de 5 a 15
minutos Ademaacutes a la misma vez que va disminuyendo la temperatura en el lecho de
catalizador se va formando una capa de coque en el lecho Para hacer frente al problema del
coque este proceso posee un sistema de regeneracioacuten que emplea aire precalentado para
quemar esta deposicioacuten (a la misma vez aporta el calor necesario para alcanzar la temperatura
deseada) El efluente del reactor se somete a una serie de tratamientos primer lugar la
corriente se enfriacutea en una torre de enfriamiento posteriormente se comprime antes de la
alimentacioacuten al sistema de absorcioacutenstripper En este complejo de absorcioacuten se consigue un
concentrado de C4 para el sistema final de extraccioacuten de butadieno obteniendo una corriente
de producto de butadieno de gran pureza Esta ruta de proceso se trabaja a un rango de
conversioacuten de aproximadamente un 30-40 y un rendimiento total de 60-65
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
Es un sistema que ha reemplazado a muchos procesos antiguos de produccioacuten de butadieno
debido al desarrollo de varios procesos y sistemas de catalizadores de oxideshidrogenacioacuten de
cualquier n-butano o de n-buteno El 1-buteno es mucho maacutes reactivo y requiere condiciones
de operacioacuten menos severas que la de n-butano siendo el empleo de n-butano menos
eficiente Como recomendaciones en la oxideshidrogenacioacuten una mezcla de n-butenos aire y
vapor se hace pasar sobre un lecho de catalizador a baja presioacuten y aproximadamente de 500-
600ordmC El calor de la reaccioacuten exoteacutermica puede ser eliminado indirectamente mediante la
circulacioacuten de sal fundida o por un meacutetodo alternativo que consiste en antildeadir vapor de agua a
la alimentacioacuten (actuando como disipador de calor) En el proceso Oxo-D como se observa en
11
la Figura 9 una mezcla de aire vapor y 1-buteno se hace pasar sobre el catalizador de
deshidrogenacioacuten en un proceso continuo
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos [3]
Como parte final del proceso el efluente del reactor se enfriacutea y como en el sistema anterior
los componentes C4 se recuperan en un absorbedordesgasificadorstripper El aceite como
disolvente fluye desde los fondos del stripper y regresa al absorbedor aunque antes pasa
traveacutes de una zona de purificacioacuten de disolvente Para obtener la corriente de butadieno final
es necesario eliminar la cantidad de disolvente (aceite) por medio de un stripper y un sistema
de purificacioacuten para obtener la corriente final El rango de rendimiento y selectividad puede
variar entre 70-90 lo que hace innecesario recuperar o reciclar material de alimentacioacuten (la
formacioacuten de C02 como reaccioacuten secundaria puede producir la peacuterdida de rendimiento del
proceso)
12
3 Descripcioacuten del proceso
En el estudio de este proyecto y tras analizar cada una de las opciones de trabajo para la
deshidrogenacioacuten de n-butanos se ha decidido seguir un sistema de deshidrogenacioacuten en dos
etapas [13 67]
1) Deshidrogenacioacuten no oxidativa de los n-butanos para obtener n-butenos
2) Deshidrogenacioacuten oxidativa (oxideshidrogenacioacuten) de los n-butenos para producir
butadieno
Como ya se ha dicho con anterioridad existen tres caminos de produccioacuten de butadieno sin
embargo se considera principalmente debido a la necesidad de eficiencia implantar dos fases
distintas de deshidrogenacioacuten La primera fase que corresponde al proceso Catadiene que
consiste en una deshidrogenacioacuten no oxidativa del n-butano mientras que se complementa
con una zona de oxideshidrogenacioacuten de los n-butenos Se ha decidido tomar este sistema
debido a las siguientes razones
o Mayor conversioacuten y selectividad global gracias a la oxideshidrogenacioacuten el aporte de
oxiacutegeno permite eliminar parte de hidrogeno en forma de agua (rendimiento aprox de
65 y una selectividad de 93)
o Oxiacutegeno junto al vapor alimentado disminuye la coquizacioacuten del catalizador
o Bajo consumo de vapor respecto a la deshidrogenacioacuten no oxidativa
o Adicioacuten de oxiacutegeno en la deshidrogenacioacuten de n-butanos genera una gran cantidad de
productos indeseados debido a que a las altas temperaturas requeridas favorece la
reaccioacuten del oxiacutegeno
o Butenos son muchos maacutes reactivos de ahiacute que necesiten condiciones de operacioacuten
menos severas por lo que no es praacutectico la oxideshidrogenacioacuten del n-butano
Este sistema de deshidrogenacioacuten se dividiraacute en tres fases de procesamiento como se observa
en el diagrama de bloques de la Figura 10
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno (6)
13
En primer lugar este medio de produccioacuten parte de una corriente de n-butanos isobutano
propano y un porcentaje de hidrocarburos (C5) la cual necesita ser tratada para obtener una
corriente pura de n-butanos Este sistema presenta un tren de separacioacuten en primer lugar una
columna de destilacioacuten que lo separe en una corriente de n-butano y posteriormente
aprovechar la corriente de isobutanos con un reactor de isomerizacioacuten para generar maacutes n-
butano o como producto final para otros procesos Maacutes adelante en el proyecto se decidiraacute
que se haraacute con el isobutano
Una vez obtenida la corriente de n-butano se alimenta a la zona de deshidrogenacioacuten
encargada de deshidrogenizar para conseguir el butadieno Como ya se ha enunciado se
instalaraacuten dos zonas de deshidrogenacioacuten con condiciones de operacioacuten diferentes La
deshidrogenacioacuten no oxidativa de n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica trabajando
a un rango de temperatura de 600-700ordmC y una presioacuten de 05-8 bar (3) La reaccioacuten principal
en el primer reactor seriacutea la formacioacuten de buteno a traveacutes de la peacuterdida de hidroacutegeno de n-
butano para dar 1-buteno
C4H10 C4H8 (1-buteno) + H2
Para aportar el calor necesario de reaccioacuten se puede quemar in-situ el hidroacutegeno liberado
antildeadiendo una corriente de oxiacutegeno (aire) Suele ser necesario antildeadir hidroacutegeno adicional
externamente para satisfacer totalmente el calor de reaccioacuten
H2 + O2 H2O
Estas reacciones se catalizan selectivamente por catalizadores especializados a este sistema
Los catalizadores se pueden separar en dos partes fundamentales como soporte y composicioacuten
activa En primer lugar el soporte consiste generalmente en un oacutexido resistente al calor u
oacutexido mixto Los oacutexidos empleados preferentemente son los oacutexidos de aluminio oacutexido de
cromo o dioacutexido de silicio La composicioacuten activa de los catalizadores de deshidrogenacioacuten se
comprende generalmente en uno o maacutes metales del grupo de transicioacuten VII de la tabla
perioacutedica preferentemente platino yo paladio En este caso para este reactor se utiliza el
catalizador maacutes comuacuten que es una mezcla de oacutexido de aluminio y oacutexido de cromo Los
catalizadores de deshidrogenacioacuten en su funcioacuten se degeneran con la necesidad de montar un
reactor en paralelo que permita su regeneracioacuten de forma continua Ademaacutes como se observa
14
en el diagrama de bloques de la figura 10 es necesario la aplicacioacuten a estas zonas de
deshidrogenacioacuten de aire a traveacutes del lecho catalizador
Una vez obtenida la corriente de n-butenos se alimenta al segundo reactor con la diferencia
que necesita la alimentacioacuten de oxiacutegeno para la deshidrogenacioacuten oxidativa del 1-buteno La
adiccioacuten de oxigeno permite mejorar la conversioacuten y la selectividad de la deshidrogenacioacuten de
n-buteno eliminando el hidrogeno (7)
2 C4H8 + O2 2 C4H6 + 2 H2O (Reaccioacuten principal)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O (Reaccioacuten secundaria)
Como al igual que la deshidrogenacioacuten no oxidativa para la deshidrogenacioacuten del 1-buteno se
necesita un catalizador preferentemente un sistema de oacutexido multimetaacutelico Mo-Bi-Fe-O En
esta reaccioacuten aparece la formacioacuten de CO2 como reaccioacuten secundaria indeseada a partir del 1-
buteno Una vez obtenida la corriente final de butadieno n-butano no convertido y los demaacutes
co-productos se llevan a un tren de separacioacuten que consta de una columna de destilacioacuten
extractiva con un solvente En primer lugar la columna de destilacioacuten se separa el resto de
hidrocarburos (n-butanos sin reaccionar) por cabeza mientras que el 13-butadieno sale por
fondos Los fondos presentan gran cantidad de disolvente de ahiacute que utilicen una columna de
recuperacioacuten de disolvente para obtener el butadieno final
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
xiv
Iacutendice de Tablas
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de tiempo de residencia normal de trabajo en reactores de
deshidrogenacioacuten no oxidativa 17
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos 18
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten 18
Tabla 4 Disolventes usaos industrialmente 19
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso 30
Tabla 6 Especificaciones de C-1 31
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1) 36
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1 37
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1 37
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2) 39
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2 40
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3) 40
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3 40
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten 41
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados 42
Tabla 16 Temperaturas de las corrientes en INT-1 44
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1 44
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2 45
Tabla 19 Temperaturas de las corrientes en INT-3 45
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4 45
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4 46
xv
xvi
Iacutendice de Figuras
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno 2
Figura 2 Propiedades de butadieno 3
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 4
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU
2000 (a la derecha) 5
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno 6
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas 8
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking 9
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno 10
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos 11
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno 12
Figura 11 Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten 15
Figura 12 Diagrama de proceso de la planta de butadieno 28
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados 34
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores 35
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso 36
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba 38
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH 39
xvii
1
1 Alcance y objetivo
En este proyecto se desarrolla la ingenieriacutea baacutesica de una planta de produccioacuten de butadieno a
partir de la deshidrogenacioacuten de n-butanos
El trabajo se centra en el estudio en profundidad del proceso de obtencioacuten de butadieno a
traveacutes de una de las rutas de proceso maacutes empleados en la actualidad deshidrogenacioacuten y
oxideshidrogenacioacuten Se marca como objetivo conocer primeramente las caracteriacutesticas del
butadieno y todas sus formas de produccioacuten para mostrar la utilidad que tiene esta ruta
actualmente A la misma vez se justifica la eleccioacuten del proceso elegido comparando las
distintas caracteriacutesticas de cada uno
En esta descripcioacuten del proceso se incluye un anaacutelisis global de cada una de las etapas para a
continuacioacuten especificar cada una de ellas Esta informacioacuten se utiliza para poder completar el
diagrama de proceso y constituir la simulacioacuten de una planta de butadieno Este trabajo
permite estudiar e investigar un proceso poco convencional y poner en praacutectica los
conocimientos estudiados Se lleva a cabo con el programa Aspen Plus donde se intenta
representar el diagrama tendiendo a todas las especificaciones impuestas y conseguir una
visioacuten real numeacuterica del proceso estudiado En este programa se pondraacute en praacutectica el uso de
balances de materia y energiacutea necesarios para comprender los resultados obtenidos Por
uacuteltimo se aprovechan los caacutelculos realizados en el simulador para disentildear los equipos maacutes
representativos en el sistema Para ello antes hay que disentildear un diagrama de proceso con las
directrices estudiadas tanto en la informacioacuten buscada como los conceptos adquiridos
Como criterio de disentildeo se fija una capacidad de produccioacuten acorde con una planta de
butadieno que utiliza como materia prima el n-butano ademaacutes de un disentildeo que represente
los equipos industriales necesarios comuacutenmente en este tipo de proceso Aunque se trata de
una ingenieriacutea baacutesica se decide durante la realizacioacuten del mismo no llevar a cabo el balance
econoacutemico de todo el proyecto ya que se considera prescindible debido a sus numerosas
praacutecticas durante la carrera
2
2 Introduccioacuten
El butadieno (se habla de 13 butadieno ya que conforma el hidrocarburo C4 insaturado maacutes
importante econoacutemicamente) es un producto importante de la industria petroquiacutemica Su
sencilla estructura quiacutemica (figura 1) combinada con su bajo peso molecular y alta reactividad
quiacutemica hace que sea un elemento muy uacutetil en la siacutentesis de otros materiales [1]
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno
Antes del desarrollo de la industria de butadieno el butadieno aparece en 1863 cuando el
quiacutemico franceacutes E Caventou aisloacute un hidrocarburo hasta ahora desconocido con la piroacutelisis de
alcohol amiacutelico Este hidrocarburo se identificoacute como butadieno en 1886 despueacutes de que
Henry Edward Amstronglo lo aislara de unos de los productos de la piroacutelisis de petroacuteleo En
1910 el quiacutemico ruso Sergei Lebedev polimerizoacute el butadieno obteniendo un material con
propiedades similares al caucho Este poliacutemero no fue lo suficiente adecuado para reemplazar
el caucho natural en muchas aplicaciones sobre todo en los neumaacuteticos del automoacutevil A partir
de ahiacute la industria de butadieno se centroacute en las necesidades de la Segunda Guerra Mundial
ya que las naciones combatientes como Alemania y Estados Unidos apostaron por disminuir la
dependencia de las industrias del caucho controladas por el Gobierno Britaacutenico [1]
Hasta la actualidad la produccioacuten mundial de butadieno ha estado ligada a la demanda de
manufacturacioacuten de neumaacuteticos Como estudios de 2015 reflejan por primera vez desde 2000
la produccioacuten europea de caucho sinteacutetico a partir de butadieno superoacute la demanda como
resultado de la contraccioacuten de la industria automoviliacutestica Este mismo estudio cifra que la
demanda europea fue de 2459778 toneladas mientras que la produccioacuten se situoacute en
2246137 toneladas Sin embargo observando el futuro de este producto se espera invertir la
situacioacuten superando la produccioacuten a la demanda por 162953 toneladas Ante esta situacioacuten las
3
empresas se mueven hacia un mercado de exportacioacuten con el objetivo de conseguir la
produccioacuten deseada Alguacuten ejemplo apreciable es la expansioacuten de la empresa alemana
LyondellBsell con su unidad de extraccioacuten en Wesseling Alemania y los planes de Versalis para
construir una nueva unidad de 70000 toneladasantildeo en su planta de Dunkerque Francia [2]
21 Caracteriacutesticas de butadieno
Este compuesto presenta propiedades quiacutemicas y fiacutesicas como gas inflamable incoloro con un
olor suave y aromaacutetico ademaacutes de ser altamente reactivo Es soluble en alcohol y eacuteter
insoluble en agua y se polimeriza faacutecilmente (en particular si el oxiacutegeno estaacute presente) Debido
a sus dobles enlaces conjugados pueden tomar parte en numerosas reacciones que incluyen
12- y 14- adicionales con siacute mismo (polimerizacioacuten) y de otros reactivos la dimerizacioacuten lineal
y de trimerizacioacuten y formacioacuten de anillo En la figura 2 siguiente muestra una tabla con las
propiedades principales de este compuesto
Figura 2 Propiedades de butadieno [3]
El 13-butadieno el dieno conjugado maacutes simple ha sido sometido a numerosos estudios para
comprender todas sus propiedades fiacutesicas y quiacutemicas La unioacuten de los dobles enlaces hace que
sea 15kJmol maacutes estable termodinaacutemicamente que una moleacutecula con dos enlaces simples La
4
longitud del doble enlace en 13-butadieno es 0134 nm y los enlaces simples 0148 Ya que los
enlaces simples de carbono-carbono son normalmente de 0154 nm esto indica el grado de
doble enlace en la mitad de enlace simple [4]
22 Aplicaciones
La produccioacuten de butadieno mundial estaacute dominada por las fracciones de craqueo por vapor
de C4 convirtieacutendose en la ruta ideal para maacutes del 95 de la produccioacuten de butadieno En la
Figura 3 se puede distinguir la situacioacuten mundial de butadieno en 1998 y destacar por
ejemplo que en el caso de Europa Occidental la materia especiacutefica de craqueo se centra en la
nafta El motivo de este dominio son los altos rendimientos conseguidos a traveacutes de este
medio sin embargo en la actualidad su aplicacioacuten ha disminuido ligeramente debido al
desarrollo de nuevas teacutecnicas de deshidrogenacioacuten oxidativa como se veraacute en los apartados
siguientes
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 [1]
El butadieno se usa principalmente como monoacutemero en la fabricacioacuten de cauchos o
elastoacutemeros sinteacuteticos como se aprecia en la Figura 4 suponiendo aproximadamente el 70
del uso de butadieno Entre los poliacutemeros destacados de esta aplicacioacuten son Estireno-
butadieno (SBR) caucho de polibutadieno (PBR) policloropreno (Neopreno) y caucho de
nitrilo (NBR) Ademaacutes como monoacutemero es importante como intermediario en la produccioacuten de
algunos productos quiacutemicos (gracias a su alta reactividad quiacutemica) Los cauchos anteriormente
mencionados se distinguiriacutean de la siguiente forma [4]
Caucho estireno-butadieno (SBR) se obtiene por la polimerizacioacuten de estireno y
butadieno constituyendo la mayor aplicacioacuten de butadieno El uso principal de SBR
5
estaacute en neumaacuteticos y en menor cantidad en adhesivos y selladores suelas de zapatos
revestimientos de alambre y cable
Polibutadieno (PB) producido por la polimerizacioacuten de butadieno es el segundo
monoacutemero maacutes usado Ademaacutes de coacutemo materia prima para neumaacuteticos el PB se
utiliza como producto intermedio en la produccioacuten de acrilonitrilo-butadieno-estireno
(ABS) y modificadores de impacto
Laacutetex Estireno-butadieno (SBL) se trata de una dispersioacuten acuosa estable que contiene
discretas partiacuteculas de poliacutemero de aproximadamente 005 a 5 microacutemetros de
diaacutemetro Entre sus aplicaciones consta la goma espuma (cojines esponjas) adhesivos
(pavimentos azulejos) selladores y revestimientos de papel
Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno (ABS) resinas ABS son mezclas de dos fases Se pueden
producir por polimerizacioacuten donde los homopoliacutemeros de polibutadieno se injertan en
un copoliacutemero de estierno-acronitrilo Estas resinas posee una amplia gama de
aplicaciones que incluyen de piezas de automoacuteviles teleacutefonos maacutequinas de oficina tales
como ordenadores y electrodomeacutesticos
Caucho de nitrilo (NBR) este caucho es producido en menor cantidad que los anteriores
y se obtiene a partir de la copolimerizacioacuten de acrilonitrilo y butadieno Este material se
utiliza en productos como mangueras tuberiacuteas de combustible adhesivos guantes y
calzado
Copoliacutemero de bloques de Estireno-butadieno (SBS Y SEBS) sus aplicaciones son incluidas
en aditivos para aceites lubricantes adhesivos aplicaciones de automocioacuten alimentos y
otro tipo de envases dispositivos meacutedicos
Metacrilato de metilo-butadieno-estireno (MMBS) su produccioacuten es maacutes escasa ya que
se dedica como modificador de impacto en piezas de automoacuteviles botellas y envases de
alimentos
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU 2000 (a la derecha) [45]
6
Ademaacutes de los poliacutemeros como se mencionoacute anteriormente el butadieno constituye distintos
intermediarios quiacutemicos En la figura 5 puede apreciarse los tipos de poliacutemeros enumerados y
los compuestos quiacutemicos principales como adiponitrilo cloropropano y sus posteriores
aplicaciones
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno [4]
23 Potencial de exposicioacuten
El butadieno forma parte en la produccioacuten de productos industriales y de consumo sin
embargo sobre la base de estos usos los individuos pueden estar expuestos de diferentes
formas [5]
Exposicioacuten Diaria es la exposicioacuten que afecta a los individuos que trabajan en
instalaciones de butadieno y plantas de productos que emplean este compuesto En
estas instalaciones se pueden enfrentar a las exposiciones maacutes comunes de butadieno
por fallo mecaacutenico de un sello de la bomba el paquete de la vaacutelvula conexioacuten de la
tuberiacutea o junta Sin embargo los responsables emplean sistemas de seguridad
restrictivos regulados y controlados por permisos y normas
7
Exposicioacuten del consumidor de producto conteniente en butadieno los consumidores
estaacuten expuestos a niveles bajos o no detectables de butadieno (butadieno no se vende
para uso de consumidores) a traveacutes de la ingesta de alimentos que estaban
almacenados en envases contenedores de butadieno
Emisiones al medio ambiente butadieno se libera en el medio ambiente tanto de
fuentes industriales y no industriales Ante cualquier emisioacuten el sistema de control se
centra en evitar cualquier probabilidad de incendio y controlar los derrames
reduciendo la contaminacioacuten de aire suelo y aguas superficiales o subterraacuteneas Su
alta presioacuten de vapor y la insolubilidad de agua hace que se acumule en el aire creando
un riesgo en la inhalacioacuten (de ahiacute es necesario proteccioacuten de las viacuteas respiratoria ante
cualquier derrame o fuga)
Riesgo para la salud
Contacto con los ojos butadieno liacutequido puede causar la congelacioacuten si entra en
contacto con los ojos y se evapora raacutepidamente Los vapores de butadieno pueden
causar irritacioacuten en los ojos causando incomodidad y enrojecimiento
Contacto con la piel butadieno no es irritante para la piel aunque el butadieno liacutequido
puede causar congelacioacuten si entra en contacto con la piel
Ingestioacuten es poco probable ya que el material es un gas a temperatura y presioacuten
ambiente Aunque el contacto con butadieno liacutequido podriacutea dar lugar a la congelacioacuten
de los labios
Inhalacioacuten zonas cerradas o poco ventilados los vapores de butadieno se pueden
acumular y causar inconsciencia y la muerte Las exposiciones excesivas pueden causar
irritacioacuten en el sistema respiratorio superior (nariz y garganta) o efectos en el sistema
nervioso central Los siacutentomas pueden incluir efectos anesteacutesicos o narcoacuteticos como
mareo o somnolencia
Exposicioacuten repetida exposiciones excesivas repetidas se han reportado efectos en los
rintildeones el hiacutegado los ovarios las viacuteas respiratorias y los testiacuteculos La exposicioacuten
excesiva puede causar dantildeo a los oacuterganos hematopoyeacuteticos (medula oacutesea y bazo)
Carcinogenecidad el butadieno aparece como un carcinoacutegeno humano por la Agencia
Internacional para la Investigacioacuten sobre el Caacutencer
24 Procesos comerciales de butadieno
La produccioacuten de butadieno desde su descubrimiento a traveacutes de la piroacutelisis de materiales
orgaacutenicos ha sido desarrollada a la misma vez que la industria petroquiacutemica En primer lugar
8
el butadieno era generado a partir del acetileno asiacute como del etanol No obstante la
importancia de estos procesos ha disminuido debido a la creciente produccioacuten de butadieno a
partir del petroacuteleo Se han desarrollado tres sistemas de produccioacuten a traveacutes de esta fuente
[1 24]
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
Es el camino maacutes utilizado para la produccioacuten de butadieno en paiacuteses como Estados Unidos
Oeste de Europa y Japoacuten representando aproximadamente el 91 del suministro mundial de
butadieno En este caso no existe una materia prima principal sino que tanto etano propano
butano nafta y gasoacuteleo se alimentan a una pirolisis (craqueo al vapor) de horno donde
combinado con vapor de agua alcanza temperaturas de entre aproximadamente 790-830ordmC
En este rango de temperatura los enlaces C-C y C-H se rompen produciendo hidrogeno
etileno propileno butadieno benceno tolueno y otros co-productos olefiacutenicos importantes
Despueacutes de la pirolisis se enfriacutea el resto de la planta separa los productos deseados en
distintos cortes de acuerdo a las especificaciones impuestas a cada uno de ellos A
continuacioacuten se aprecia en la Figura 6 un ejemplo de los distintos rendimientos de butadieno
respecto a distintas materias primas
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas [3]
La corriente de producto de butadieno crudo final alcanza concentraciones de hasta
aproximadamente un 75 en peso (esta concentracioacuten puede variar en funcioacuten de reciclo en el
sistema)
Como se puede distinguir en la liacutenea roja de la Figura 7 el butadieno experimenta una serie de
tratamientos posterior a su piroacutelisis como enfriamiento compresioacuten lavado secado y
finalmente un proceso de extraccioacuten para obtener la corriente final de butadieno
9
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking [3]
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
Esta deshidrogenacioacuten constituye parte principal del proceso y se constituye en dos etapas de
trabajo primero convirtiendo n-butano a n-butenos y luego a butadieno (etapas
endoteacutermicas) Estas zonas presentan ademaacutes de los reactores principales (trabajando
aproximadamente en rangos de P absoluta de 12-15 cmHg y T de 600-680ordmC) dos reactores
instalados de forma continua Se pueden apreciar en la Figura 8 el segundo reactor se
utilizariacutea para la regeneracioacuten de catalizador mientras que el tercer reactor es el encargado de
purgar antes de que empiece la regeneracioacuten (de esta manera se comporta como un sistema
continua de produccioacuten)
10
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno [3]
El tiempo de residencia de la alimentacioacuten en el reactor es de aproximadamente de 5 a 15
minutos Ademaacutes a la misma vez que va disminuyendo la temperatura en el lecho de
catalizador se va formando una capa de coque en el lecho Para hacer frente al problema del
coque este proceso posee un sistema de regeneracioacuten que emplea aire precalentado para
quemar esta deposicioacuten (a la misma vez aporta el calor necesario para alcanzar la temperatura
deseada) El efluente del reactor se somete a una serie de tratamientos primer lugar la
corriente se enfriacutea en una torre de enfriamiento posteriormente se comprime antes de la
alimentacioacuten al sistema de absorcioacutenstripper En este complejo de absorcioacuten se consigue un
concentrado de C4 para el sistema final de extraccioacuten de butadieno obteniendo una corriente
de producto de butadieno de gran pureza Esta ruta de proceso se trabaja a un rango de
conversioacuten de aproximadamente un 30-40 y un rendimiento total de 60-65
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
Es un sistema que ha reemplazado a muchos procesos antiguos de produccioacuten de butadieno
debido al desarrollo de varios procesos y sistemas de catalizadores de oxideshidrogenacioacuten de
cualquier n-butano o de n-buteno El 1-buteno es mucho maacutes reactivo y requiere condiciones
de operacioacuten menos severas que la de n-butano siendo el empleo de n-butano menos
eficiente Como recomendaciones en la oxideshidrogenacioacuten una mezcla de n-butenos aire y
vapor se hace pasar sobre un lecho de catalizador a baja presioacuten y aproximadamente de 500-
600ordmC El calor de la reaccioacuten exoteacutermica puede ser eliminado indirectamente mediante la
circulacioacuten de sal fundida o por un meacutetodo alternativo que consiste en antildeadir vapor de agua a
la alimentacioacuten (actuando como disipador de calor) En el proceso Oxo-D como se observa en
11
la Figura 9 una mezcla de aire vapor y 1-buteno se hace pasar sobre el catalizador de
deshidrogenacioacuten en un proceso continuo
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos [3]
Como parte final del proceso el efluente del reactor se enfriacutea y como en el sistema anterior
los componentes C4 se recuperan en un absorbedordesgasificadorstripper El aceite como
disolvente fluye desde los fondos del stripper y regresa al absorbedor aunque antes pasa
traveacutes de una zona de purificacioacuten de disolvente Para obtener la corriente de butadieno final
es necesario eliminar la cantidad de disolvente (aceite) por medio de un stripper y un sistema
de purificacioacuten para obtener la corriente final El rango de rendimiento y selectividad puede
variar entre 70-90 lo que hace innecesario recuperar o reciclar material de alimentacioacuten (la
formacioacuten de C02 como reaccioacuten secundaria puede producir la peacuterdida de rendimiento del
proceso)
12
3 Descripcioacuten del proceso
En el estudio de este proyecto y tras analizar cada una de las opciones de trabajo para la
deshidrogenacioacuten de n-butanos se ha decidido seguir un sistema de deshidrogenacioacuten en dos
etapas [13 67]
1) Deshidrogenacioacuten no oxidativa de los n-butanos para obtener n-butenos
2) Deshidrogenacioacuten oxidativa (oxideshidrogenacioacuten) de los n-butenos para producir
butadieno
Como ya se ha dicho con anterioridad existen tres caminos de produccioacuten de butadieno sin
embargo se considera principalmente debido a la necesidad de eficiencia implantar dos fases
distintas de deshidrogenacioacuten La primera fase que corresponde al proceso Catadiene que
consiste en una deshidrogenacioacuten no oxidativa del n-butano mientras que se complementa
con una zona de oxideshidrogenacioacuten de los n-butenos Se ha decidido tomar este sistema
debido a las siguientes razones
o Mayor conversioacuten y selectividad global gracias a la oxideshidrogenacioacuten el aporte de
oxiacutegeno permite eliminar parte de hidrogeno en forma de agua (rendimiento aprox de
65 y una selectividad de 93)
o Oxiacutegeno junto al vapor alimentado disminuye la coquizacioacuten del catalizador
o Bajo consumo de vapor respecto a la deshidrogenacioacuten no oxidativa
o Adicioacuten de oxiacutegeno en la deshidrogenacioacuten de n-butanos genera una gran cantidad de
productos indeseados debido a que a las altas temperaturas requeridas favorece la
reaccioacuten del oxiacutegeno
o Butenos son muchos maacutes reactivos de ahiacute que necesiten condiciones de operacioacuten
menos severas por lo que no es praacutectico la oxideshidrogenacioacuten del n-butano
Este sistema de deshidrogenacioacuten se dividiraacute en tres fases de procesamiento como se observa
en el diagrama de bloques de la Figura 10
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno (6)
13
En primer lugar este medio de produccioacuten parte de una corriente de n-butanos isobutano
propano y un porcentaje de hidrocarburos (C5) la cual necesita ser tratada para obtener una
corriente pura de n-butanos Este sistema presenta un tren de separacioacuten en primer lugar una
columna de destilacioacuten que lo separe en una corriente de n-butano y posteriormente
aprovechar la corriente de isobutanos con un reactor de isomerizacioacuten para generar maacutes n-
butano o como producto final para otros procesos Maacutes adelante en el proyecto se decidiraacute
que se haraacute con el isobutano
Una vez obtenida la corriente de n-butano se alimenta a la zona de deshidrogenacioacuten
encargada de deshidrogenizar para conseguir el butadieno Como ya se ha enunciado se
instalaraacuten dos zonas de deshidrogenacioacuten con condiciones de operacioacuten diferentes La
deshidrogenacioacuten no oxidativa de n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica trabajando
a un rango de temperatura de 600-700ordmC y una presioacuten de 05-8 bar (3) La reaccioacuten principal
en el primer reactor seriacutea la formacioacuten de buteno a traveacutes de la peacuterdida de hidroacutegeno de n-
butano para dar 1-buteno
C4H10 C4H8 (1-buteno) + H2
Para aportar el calor necesario de reaccioacuten se puede quemar in-situ el hidroacutegeno liberado
antildeadiendo una corriente de oxiacutegeno (aire) Suele ser necesario antildeadir hidroacutegeno adicional
externamente para satisfacer totalmente el calor de reaccioacuten
H2 + O2 H2O
Estas reacciones se catalizan selectivamente por catalizadores especializados a este sistema
Los catalizadores se pueden separar en dos partes fundamentales como soporte y composicioacuten
activa En primer lugar el soporte consiste generalmente en un oacutexido resistente al calor u
oacutexido mixto Los oacutexidos empleados preferentemente son los oacutexidos de aluminio oacutexido de
cromo o dioacutexido de silicio La composicioacuten activa de los catalizadores de deshidrogenacioacuten se
comprende generalmente en uno o maacutes metales del grupo de transicioacuten VII de la tabla
perioacutedica preferentemente platino yo paladio En este caso para este reactor se utiliza el
catalizador maacutes comuacuten que es una mezcla de oacutexido de aluminio y oacutexido de cromo Los
catalizadores de deshidrogenacioacuten en su funcioacuten se degeneran con la necesidad de montar un
reactor en paralelo que permita su regeneracioacuten de forma continua Ademaacutes como se observa
14
en el diagrama de bloques de la figura 10 es necesario la aplicacioacuten a estas zonas de
deshidrogenacioacuten de aire a traveacutes del lecho catalizador
Una vez obtenida la corriente de n-butenos se alimenta al segundo reactor con la diferencia
que necesita la alimentacioacuten de oxiacutegeno para la deshidrogenacioacuten oxidativa del 1-buteno La
adiccioacuten de oxigeno permite mejorar la conversioacuten y la selectividad de la deshidrogenacioacuten de
n-buteno eliminando el hidrogeno (7)
2 C4H8 + O2 2 C4H6 + 2 H2O (Reaccioacuten principal)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O (Reaccioacuten secundaria)
Como al igual que la deshidrogenacioacuten no oxidativa para la deshidrogenacioacuten del 1-buteno se
necesita un catalizador preferentemente un sistema de oacutexido multimetaacutelico Mo-Bi-Fe-O En
esta reaccioacuten aparece la formacioacuten de CO2 como reaccioacuten secundaria indeseada a partir del 1-
buteno Una vez obtenida la corriente final de butadieno n-butano no convertido y los demaacutes
co-productos se llevan a un tren de separacioacuten que consta de una columna de destilacioacuten
extractiva con un solvente En primer lugar la columna de destilacioacuten se separa el resto de
hidrocarburos (n-butanos sin reaccionar) por cabeza mientras que el 13-butadieno sale por
fondos Los fondos presentan gran cantidad de disolvente de ahiacute que utilicen una columna de
recuperacioacuten de disolvente para obtener el butadieno final
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
xv
xvi
Iacutendice de Figuras
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno 2
Figura 2 Propiedades de butadieno 3
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 4
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU
2000 (a la derecha) 5
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno 6
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas 8
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking 9
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno 10
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos 11
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno 12
Figura 11 Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten 15
Figura 12 Diagrama de proceso de la planta de butadieno 28
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados 34
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores 35
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso 36
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba 38
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH 39
xvii
1
1 Alcance y objetivo
En este proyecto se desarrolla la ingenieriacutea baacutesica de una planta de produccioacuten de butadieno a
partir de la deshidrogenacioacuten de n-butanos
El trabajo se centra en el estudio en profundidad del proceso de obtencioacuten de butadieno a
traveacutes de una de las rutas de proceso maacutes empleados en la actualidad deshidrogenacioacuten y
oxideshidrogenacioacuten Se marca como objetivo conocer primeramente las caracteriacutesticas del
butadieno y todas sus formas de produccioacuten para mostrar la utilidad que tiene esta ruta
actualmente A la misma vez se justifica la eleccioacuten del proceso elegido comparando las
distintas caracteriacutesticas de cada uno
En esta descripcioacuten del proceso se incluye un anaacutelisis global de cada una de las etapas para a
continuacioacuten especificar cada una de ellas Esta informacioacuten se utiliza para poder completar el
diagrama de proceso y constituir la simulacioacuten de una planta de butadieno Este trabajo
permite estudiar e investigar un proceso poco convencional y poner en praacutectica los
conocimientos estudiados Se lleva a cabo con el programa Aspen Plus donde se intenta
representar el diagrama tendiendo a todas las especificaciones impuestas y conseguir una
visioacuten real numeacuterica del proceso estudiado En este programa se pondraacute en praacutectica el uso de
balances de materia y energiacutea necesarios para comprender los resultados obtenidos Por
uacuteltimo se aprovechan los caacutelculos realizados en el simulador para disentildear los equipos maacutes
representativos en el sistema Para ello antes hay que disentildear un diagrama de proceso con las
directrices estudiadas tanto en la informacioacuten buscada como los conceptos adquiridos
Como criterio de disentildeo se fija una capacidad de produccioacuten acorde con una planta de
butadieno que utiliza como materia prima el n-butano ademaacutes de un disentildeo que represente
los equipos industriales necesarios comuacutenmente en este tipo de proceso Aunque se trata de
una ingenieriacutea baacutesica se decide durante la realizacioacuten del mismo no llevar a cabo el balance
econoacutemico de todo el proyecto ya que se considera prescindible debido a sus numerosas
praacutecticas durante la carrera
2
2 Introduccioacuten
El butadieno (se habla de 13 butadieno ya que conforma el hidrocarburo C4 insaturado maacutes
importante econoacutemicamente) es un producto importante de la industria petroquiacutemica Su
sencilla estructura quiacutemica (figura 1) combinada con su bajo peso molecular y alta reactividad
quiacutemica hace que sea un elemento muy uacutetil en la siacutentesis de otros materiales [1]
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno
Antes del desarrollo de la industria de butadieno el butadieno aparece en 1863 cuando el
quiacutemico franceacutes E Caventou aisloacute un hidrocarburo hasta ahora desconocido con la piroacutelisis de
alcohol amiacutelico Este hidrocarburo se identificoacute como butadieno en 1886 despueacutes de que
Henry Edward Amstronglo lo aislara de unos de los productos de la piroacutelisis de petroacuteleo En
1910 el quiacutemico ruso Sergei Lebedev polimerizoacute el butadieno obteniendo un material con
propiedades similares al caucho Este poliacutemero no fue lo suficiente adecuado para reemplazar
el caucho natural en muchas aplicaciones sobre todo en los neumaacuteticos del automoacutevil A partir
de ahiacute la industria de butadieno se centroacute en las necesidades de la Segunda Guerra Mundial
ya que las naciones combatientes como Alemania y Estados Unidos apostaron por disminuir la
dependencia de las industrias del caucho controladas por el Gobierno Britaacutenico [1]
Hasta la actualidad la produccioacuten mundial de butadieno ha estado ligada a la demanda de
manufacturacioacuten de neumaacuteticos Como estudios de 2015 reflejan por primera vez desde 2000
la produccioacuten europea de caucho sinteacutetico a partir de butadieno superoacute la demanda como
resultado de la contraccioacuten de la industria automoviliacutestica Este mismo estudio cifra que la
demanda europea fue de 2459778 toneladas mientras que la produccioacuten se situoacute en
2246137 toneladas Sin embargo observando el futuro de este producto se espera invertir la
situacioacuten superando la produccioacuten a la demanda por 162953 toneladas Ante esta situacioacuten las
3
empresas se mueven hacia un mercado de exportacioacuten con el objetivo de conseguir la
produccioacuten deseada Alguacuten ejemplo apreciable es la expansioacuten de la empresa alemana
LyondellBsell con su unidad de extraccioacuten en Wesseling Alemania y los planes de Versalis para
construir una nueva unidad de 70000 toneladasantildeo en su planta de Dunkerque Francia [2]
21 Caracteriacutesticas de butadieno
Este compuesto presenta propiedades quiacutemicas y fiacutesicas como gas inflamable incoloro con un
olor suave y aromaacutetico ademaacutes de ser altamente reactivo Es soluble en alcohol y eacuteter
insoluble en agua y se polimeriza faacutecilmente (en particular si el oxiacutegeno estaacute presente) Debido
a sus dobles enlaces conjugados pueden tomar parte en numerosas reacciones que incluyen
12- y 14- adicionales con siacute mismo (polimerizacioacuten) y de otros reactivos la dimerizacioacuten lineal
y de trimerizacioacuten y formacioacuten de anillo En la figura 2 siguiente muestra una tabla con las
propiedades principales de este compuesto
Figura 2 Propiedades de butadieno [3]
El 13-butadieno el dieno conjugado maacutes simple ha sido sometido a numerosos estudios para
comprender todas sus propiedades fiacutesicas y quiacutemicas La unioacuten de los dobles enlaces hace que
sea 15kJmol maacutes estable termodinaacutemicamente que una moleacutecula con dos enlaces simples La
4
longitud del doble enlace en 13-butadieno es 0134 nm y los enlaces simples 0148 Ya que los
enlaces simples de carbono-carbono son normalmente de 0154 nm esto indica el grado de
doble enlace en la mitad de enlace simple [4]
22 Aplicaciones
La produccioacuten de butadieno mundial estaacute dominada por las fracciones de craqueo por vapor
de C4 convirtieacutendose en la ruta ideal para maacutes del 95 de la produccioacuten de butadieno En la
Figura 3 se puede distinguir la situacioacuten mundial de butadieno en 1998 y destacar por
ejemplo que en el caso de Europa Occidental la materia especiacutefica de craqueo se centra en la
nafta El motivo de este dominio son los altos rendimientos conseguidos a traveacutes de este
medio sin embargo en la actualidad su aplicacioacuten ha disminuido ligeramente debido al
desarrollo de nuevas teacutecnicas de deshidrogenacioacuten oxidativa como se veraacute en los apartados
siguientes
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 [1]
El butadieno se usa principalmente como monoacutemero en la fabricacioacuten de cauchos o
elastoacutemeros sinteacuteticos como se aprecia en la Figura 4 suponiendo aproximadamente el 70
del uso de butadieno Entre los poliacutemeros destacados de esta aplicacioacuten son Estireno-
butadieno (SBR) caucho de polibutadieno (PBR) policloropreno (Neopreno) y caucho de
nitrilo (NBR) Ademaacutes como monoacutemero es importante como intermediario en la produccioacuten de
algunos productos quiacutemicos (gracias a su alta reactividad quiacutemica) Los cauchos anteriormente
mencionados se distinguiriacutean de la siguiente forma [4]
Caucho estireno-butadieno (SBR) se obtiene por la polimerizacioacuten de estireno y
butadieno constituyendo la mayor aplicacioacuten de butadieno El uso principal de SBR
5
estaacute en neumaacuteticos y en menor cantidad en adhesivos y selladores suelas de zapatos
revestimientos de alambre y cable
Polibutadieno (PB) producido por la polimerizacioacuten de butadieno es el segundo
monoacutemero maacutes usado Ademaacutes de coacutemo materia prima para neumaacuteticos el PB se
utiliza como producto intermedio en la produccioacuten de acrilonitrilo-butadieno-estireno
(ABS) y modificadores de impacto
Laacutetex Estireno-butadieno (SBL) se trata de una dispersioacuten acuosa estable que contiene
discretas partiacuteculas de poliacutemero de aproximadamente 005 a 5 microacutemetros de
diaacutemetro Entre sus aplicaciones consta la goma espuma (cojines esponjas) adhesivos
(pavimentos azulejos) selladores y revestimientos de papel
Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno (ABS) resinas ABS son mezclas de dos fases Se pueden
producir por polimerizacioacuten donde los homopoliacutemeros de polibutadieno se injertan en
un copoliacutemero de estierno-acronitrilo Estas resinas posee una amplia gama de
aplicaciones que incluyen de piezas de automoacuteviles teleacutefonos maacutequinas de oficina tales
como ordenadores y electrodomeacutesticos
Caucho de nitrilo (NBR) este caucho es producido en menor cantidad que los anteriores
y se obtiene a partir de la copolimerizacioacuten de acrilonitrilo y butadieno Este material se
utiliza en productos como mangueras tuberiacuteas de combustible adhesivos guantes y
calzado
Copoliacutemero de bloques de Estireno-butadieno (SBS Y SEBS) sus aplicaciones son incluidas
en aditivos para aceites lubricantes adhesivos aplicaciones de automocioacuten alimentos y
otro tipo de envases dispositivos meacutedicos
Metacrilato de metilo-butadieno-estireno (MMBS) su produccioacuten es maacutes escasa ya que
se dedica como modificador de impacto en piezas de automoacuteviles botellas y envases de
alimentos
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU 2000 (a la derecha) [45]
6
Ademaacutes de los poliacutemeros como se mencionoacute anteriormente el butadieno constituye distintos
intermediarios quiacutemicos En la figura 5 puede apreciarse los tipos de poliacutemeros enumerados y
los compuestos quiacutemicos principales como adiponitrilo cloropropano y sus posteriores
aplicaciones
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno [4]
23 Potencial de exposicioacuten
El butadieno forma parte en la produccioacuten de productos industriales y de consumo sin
embargo sobre la base de estos usos los individuos pueden estar expuestos de diferentes
formas [5]
Exposicioacuten Diaria es la exposicioacuten que afecta a los individuos que trabajan en
instalaciones de butadieno y plantas de productos que emplean este compuesto En
estas instalaciones se pueden enfrentar a las exposiciones maacutes comunes de butadieno
por fallo mecaacutenico de un sello de la bomba el paquete de la vaacutelvula conexioacuten de la
tuberiacutea o junta Sin embargo los responsables emplean sistemas de seguridad
restrictivos regulados y controlados por permisos y normas
7
Exposicioacuten del consumidor de producto conteniente en butadieno los consumidores
estaacuten expuestos a niveles bajos o no detectables de butadieno (butadieno no se vende
para uso de consumidores) a traveacutes de la ingesta de alimentos que estaban
almacenados en envases contenedores de butadieno
Emisiones al medio ambiente butadieno se libera en el medio ambiente tanto de
fuentes industriales y no industriales Ante cualquier emisioacuten el sistema de control se
centra en evitar cualquier probabilidad de incendio y controlar los derrames
reduciendo la contaminacioacuten de aire suelo y aguas superficiales o subterraacuteneas Su
alta presioacuten de vapor y la insolubilidad de agua hace que se acumule en el aire creando
un riesgo en la inhalacioacuten (de ahiacute es necesario proteccioacuten de las viacuteas respiratoria ante
cualquier derrame o fuga)
Riesgo para la salud
Contacto con los ojos butadieno liacutequido puede causar la congelacioacuten si entra en
contacto con los ojos y se evapora raacutepidamente Los vapores de butadieno pueden
causar irritacioacuten en los ojos causando incomodidad y enrojecimiento
Contacto con la piel butadieno no es irritante para la piel aunque el butadieno liacutequido
puede causar congelacioacuten si entra en contacto con la piel
Ingestioacuten es poco probable ya que el material es un gas a temperatura y presioacuten
ambiente Aunque el contacto con butadieno liacutequido podriacutea dar lugar a la congelacioacuten
de los labios
Inhalacioacuten zonas cerradas o poco ventilados los vapores de butadieno se pueden
acumular y causar inconsciencia y la muerte Las exposiciones excesivas pueden causar
irritacioacuten en el sistema respiratorio superior (nariz y garganta) o efectos en el sistema
nervioso central Los siacutentomas pueden incluir efectos anesteacutesicos o narcoacuteticos como
mareo o somnolencia
Exposicioacuten repetida exposiciones excesivas repetidas se han reportado efectos en los
rintildeones el hiacutegado los ovarios las viacuteas respiratorias y los testiacuteculos La exposicioacuten
excesiva puede causar dantildeo a los oacuterganos hematopoyeacuteticos (medula oacutesea y bazo)
Carcinogenecidad el butadieno aparece como un carcinoacutegeno humano por la Agencia
Internacional para la Investigacioacuten sobre el Caacutencer
24 Procesos comerciales de butadieno
La produccioacuten de butadieno desde su descubrimiento a traveacutes de la piroacutelisis de materiales
orgaacutenicos ha sido desarrollada a la misma vez que la industria petroquiacutemica En primer lugar
8
el butadieno era generado a partir del acetileno asiacute como del etanol No obstante la
importancia de estos procesos ha disminuido debido a la creciente produccioacuten de butadieno a
partir del petroacuteleo Se han desarrollado tres sistemas de produccioacuten a traveacutes de esta fuente
[1 24]
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
Es el camino maacutes utilizado para la produccioacuten de butadieno en paiacuteses como Estados Unidos
Oeste de Europa y Japoacuten representando aproximadamente el 91 del suministro mundial de
butadieno En este caso no existe una materia prima principal sino que tanto etano propano
butano nafta y gasoacuteleo se alimentan a una pirolisis (craqueo al vapor) de horno donde
combinado con vapor de agua alcanza temperaturas de entre aproximadamente 790-830ordmC
En este rango de temperatura los enlaces C-C y C-H se rompen produciendo hidrogeno
etileno propileno butadieno benceno tolueno y otros co-productos olefiacutenicos importantes
Despueacutes de la pirolisis se enfriacutea el resto de la planta separa los productos deseados en
distintos cortes de acuerdo a las especificaciones impuestas a cada uno de ellos A
continuacioacuten se aprecia en la Figura 6 un ejemplo de los distintos rendimientos de butadieno
respecto a distintas materias primas
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas [3]
La corriente de producto de butadieno crudo final alcanza concentraciones de hasta
aproximadamente un 75 en peso (esta concentracioacuten puede variar en funcioacuten de reciclo en el
sistema)
Como se puede distinguir en la liacutenea roja de la Figura 7 el butadieno experimenta una serie de
tratamientos posterior a su piroacutelisis como enfriamiento compresioacuten lavado secado y
finalmente un proceso de extraccioacuten para obtener la corriente final de butadieno
9
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking [3]
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
Esta deshidrogenacioacuten constituye parte principal del proceso y se constituye en dos etapas de
trabajo primero convirtiendo n-butano a n-butenos y luego a butadieno (etapas
endoteacutermicas) Estas zonas presentan ademaacutes de los reactores principales (trabajando
aproximadamente en rangos de P absoluta de 12-15 cmHg y T de 600-680ordmC) dos reactores
instalados de forma continua Se pueden apreciar en la Figura 8 el segundo reactor se
utilizariacutea para la regeneracioacuten de catalizador mientras que el tercer reactor es el encargado de
purgar antes de que empiece la regeneracioacuten (de esta manera se comporta como un sistema
continua de produccioacuten)
10
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno [3]
El tiempo de residencia de la alimentacioacuten en el reactor es de aproximadamente de 5 a 15
minutos Ademaacutes a la misma vez que va disminuyendo la temperatura en el lecho de
catalizador se va formando una capa de coque en el lecho Para hacer frente al problema del
coque este proceso posee un sistema de regeneracioacuten que emplea aire precalentado para
quemar esta deposicioacuten (a la misma vez aporta el calor necesario para alcanzar la temperatura
deseada) El efluente del reactor se somete a una serie de tratamientos primer lugar la
corriente se enfriacutea en una torre de enfriamiento posteriormente se comprime antes de la
alimentacioacuten al sistema de absorcioacutenstripper En este complejo de absorcioacuten se consigue un
concentrado de C4 para el sistema final de extraccioacuten de butadieno obteniendo una corriente
de producto de butadieno de gran pureza Esta ruta de proceso se trabaja a un rango de
conversioacuten de aproximadamente un 30-40 y un rendimiento total de 60-65
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
Es un sistema que ha reemplazado a muchos procesos antiguos de produccioacuten de butadieno
debido al desarrollo de varios procesos y sistemas de catalizadores de oxideshidrogenacioacuten de
cualquier n-butano o de n-buteno El 1-buteno es mucho maacutes reactivo y requiere condiciones
de operacioacuten menos severas que la de n-butano siendo el empleo de n-butano menos
eficiente Como recomendaciones en la oxideshidrogenacioacuten una mezcla de n-butenos aire y
vapor se hace pasar sobre un lecho de catalizador a baja presioacuten y aproximadamente de 500-
600ordmC El calor de la reaccioacuten exoteacutermica puede ser eliminado indirectamente mediante la
circulacioacuten de sal fundida o por un meacutetodo alternativo que consiste en antildeadir vapor de agua a
la alimentacioacuten (actuando como disipador de calor) En el proceso Oxo-D como se observa en
11
la Figura 9 una mezcla de aire vapor y 1-buteno se hace pasar sobre el catalizador de
deshidrogenacioacuten en un proceso continuo
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos [3]
Como parte final del proceso el efluente del reactor se enfriacutea y como en el sistema anterior
los componentes C4 se recuperan en un absorbedordesgasificadorstripper El aceite como
disolvente fluye desde los fondos del stripper y regresa al absorbedor aunque antes pasa
traveacutes de una zona de purificacioacuten de disolvente Para obtener la corriente de butadieno final
es necesario eliminar la cantidad de disolvente (aceite) por medio de un stripper y un sistema
de purificacioacuten para obtener la corriente final El rango de rendimiento y selectividad puede
variar entre 70-90 lo que hace innecesario recuperar o reciclar material de alimentacioacuten (la
formacioacuten de C02 como reaccioacuten secundaria puede producir la peacuterdida de rendimiento del
proceso)
12
3 Descripcioacuten del proceso
En el estudio de este proyecto y tras analizar cada una de las opciones de trabajo para la
deshidrogenacioacuten de n-butanos se ha decidido seguir un sistema de deshidrogenacioacuten en dos
etapas [13 67]
1) Deshidrogenacioacuten no oxidativa de los n-butanos para obtener n-butenos
2) Deshidrogenacioacuten oxidativa (oxideshidrogenacioacuten) de los n-butenos para producir
butadieno
Como ya se ha dicho con anterioridad existen tres caminos de produccioacuten de butadieno sin
embargo se considera principalmente debido a la necesidad de eficiencia implantar dos fases
distintas de deshidrogenacioacuten La primera fase que corresponde al proceso Catadiene que
consiste en una deshidrogenacioacuten no oxidativa del n-butano mientras que se complementa
con una zona de oxideshidrogenacioacuten de los n-butenos Se ha decidido tomar este sistema
debido a las siguientes razones
o Mayor conversioacuten y selectividad global gracias a la oxideshidrogenacioacuten el aporte de
oxiacutegeno permite eliminar parte de hidrogeno en forma de agua (rendimiento aprox de
65 y una selectividad de 93)
o Oxiacutegeno junto al vapor alimentado disminuye la coquizacioacuten del catalizador
o Bajo consumo de vapor respecto a la deshidrogenacioacuten no oxidativa
o Adicioacuten de oxiacutegeno en la deshidrogenacioacuten de n-butanos genera una gran cantidad de
productos indeseados debido a que a las altas temperaturas requeridas favorece la
reaccioacuten del oxiacutegeno
o Butenos son muchos maacutes reactivos de ahiacute que necesiten condiciones de operacioacuten
menos severas por lo que no es praacutectico la oxideshidrogenacioacuten del n-butano
Este sistema de deshidrogenacioacuten se dividiraacute en tres fases de procesamiento como se observa
en el diagrama de bloques de la Figura 10
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno (6)
13
En primer lugar este medio de produccioacuten parte de una corriente de n-butanos isobutano
propano y un porcentaje de hidrocarburos (C5) la cual necesita ser tratada para obtener una
corriente pura de n-butanos Este sistema presenta un tren de separacioacuten en primer lugar una
columna de destilacioacuten que lo separe en una corriente de n-butano y posteriormente
aprovechar la corriente de isobutanos con un reactor de isomerizacioacuten para generar maacutes n-
butano o como producto final para otros procesos Maacutes adelante en el proyecto se decidiraacute
que se haraacute con el isobutano
Una vez obtenida la corriente de n-butano se alimenta a la zona de deshidrogenacioacuten
encargada de deshidrogenizar para conseguir el butadieno Como ya se ha enunciado se
instalaraacuten dos zonas de deshidrogenacioacuten con condiciones de operacioacuten diferentes La
deshidrogenacioacuten no oxidativa de n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica trabajando
a un rango de temperatura de 600-700ordmC y una presioacuten de 05-8 bar (3) La reaccioacuten principal
en el primer reactor seriacutea la formacioacuten de buteno a traveacutes de la peacuterdida de hidroacutegeno de n-
butano para dar 1-buteno
C4H10 C4H8 (1-buteno) + H2
Para aportar el calor necesario de reaccioacuten se puede quemar in-situ el hidroacutegeno liberado
antildeadiendo una corriente de oxiacutegeno (aire) Suele ser necesario antildeadir hidroacutegeno adicional
externamente para satisfacer totalmente el calor de reaccioacuten
H2 + O2 H2O
Estas reacciones se catalizan selectivamente por catalizadores especializados a este sistema
Los catalizadores se pueden separar en dos partes fundamentales como soporte y composicioacuten
activa En primer lugar el soporte consiste generalmente en un oacutexido resistente al calor u
oacutexido mixto Los oacutexidos empleados preferentemente son los oacutexidos de aluminio oacutexido de
cromo o dioacutexido de silicio La composicioacuten activa de los catalizadores de deshidrogenacioacuten se
comprende generalmente en uno o maacutes metales del grupo de transicioacuten VII de la tabla
perioacutedica preferentemente platino yo paladio En este caso para este reactor se utiliza el
catalizador maacutes comuacuten que es una mezcla de oacutexido de aluminio y oacutexido de cromo Los
catalizadores de deshidrogenacioacuten en su funcioacuten se degeneran con la necesidad de montar un
reactor en paralelo que permita su regeneracioacuten de forma continua Ademaacutes como se observa
14
en el diagrama de bloques de la figura 10 es necesario la aplicacioacuten a estas zonas de
deshidrogenacioacuten de aire a traveacutes del lecho catalizador
Una vez obtenida la corriente de n-butenos se alimenta al segundo reactor con la diferencia
que necesita la alimentacioacuten de oxiacutegeno para la deshidrogenacioacuten oxidativa del 1-buteno La
adiccioacuten de oxigeno permite mejorar la conversioacuten y la selectividad de la deshidrogenacioacuten de
n-buteno eliminando el hidrogeno (7)
2 C4H8 + O2 2 C4H6 + 2 H2O (Reaccioacuten principal)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O (Reaccioacuten secundaria)
Como al igual que la deshidrogenacioacuten no oxidativa para la deshidrogenacioacuten del 1-buteno se
necesita un catalizador preferentemente un sistema de oacutexido multimetaacutelico Mo-Bi-Fe-O En
esta reaccioacuten aparece la formacioacuten de CO2 como reaccioacuten secundaria indeseada a partir del 1-
buteno Una vez obtenida la corriente final de butadieno n-butano no convertido y los demaacutes
co-productos se llevan a un tren de separacioacuten que consta de una columna de destilacioacuten
extractiva con un solvente En primer lugar la columna de destilacioacuten se separa el resto de
hidrocarburos (n-butanos sin reaccionar) por cabeza mientras que el 13-butadieno sale por
fondos Los fondos presentan gran cantidad de disolvente de ahiacute que utilicen una columna de
recuperacioacuten de disolvente para obtener el butadieno final
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
xvi
Iacutendice de Figuras
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno 2
Figura 2 Propiedades de butadieno 3
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 4
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU
2000 (a la derecha) 5
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno 6
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas 8
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking 9
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno 10
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos 11
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno 12
Figura 11 Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten 15
Figura 12 Diagrama de proceso de la planta de butadieno 28
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados 34
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores 35
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso 36
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba 38
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH 39
xvii
1
1 Alcance y objetivo
En este proyecto se desarrolla la ingenieriacutea baacutesica de una planta de produccioacuten de butadieno a
partir de la deshidrogenacioacuten de n-butanos
El trabajo se centra en el estudio en profundidad del proceso de obtencioacuten de butadieno a
traveacutes de una de las rutas de proceso maacutes empleados en la actualidad deshidrogenacioacuten y
oxideshidrogenacioacuten Se marca como objetivo conocer primeramente las caracteriacutesticas del
butadieno y todas sus formas de produccioacuten para mostrar la utilidad que tiene esta ruta
actualmente A la misma vez se justifica la eleccioacuten del proceso elegido comparando las
distintas caracteriacutesticas de cada uno
En esta descripcioacuten del proceso se incluye un anaacutelisis global de cada una de las etapas para a
continuacioacuten especificar cada una de ellas Esta informacioacuten se utiliza para poder completar el
diagrama de proceso y constituir la simulacioacuten de una planta de butadieno Este trabajo
permite estudiar e investigar un proceso poco convencional y poner en praacutectica los
conocimientos estudiados Se lleva a cabo con el programa Aspen Plus donde se intenta
representar el diagrama tendiendo a todas las especificaciones impuestas y conseguir una
visioacuten real numeacuterica del proceso estudiado En este programa se pondraacute en praacutectica el uso de
balances de materia y energiacutea necesarios para comprender los resultados obtenidos Por
uacuteltimo se aprovechan los caacutelculos realizados en el simulador para disentildear los equipos maacutes
representativos en el sistema Para ello antes hay que disentildear un diagrama de proceso con las
directrices estudiadas tanto en la informacioacuten buscada como los conceptos adquiridos
Como criterio de disentildeo se fija una capacidad de produccioacuten acorde con una planta de
butadieno que utiliza como materia prima el n-butano ademaacutes de un disentildeo que represente
los equipos industriales necesarios comuacutenmente en este tipo de proceso Aunque se trata de
una ingenieriacutea baacutesica se decide durante la realizacioacuten del mismo no llevar a cabo el balance
econoacutemico de todo el proyecto ya que se considera prescindible debido a sus numerosas
praacutecticas durante la carrera
2
2 Introduccioacuten
El butadieno (se habla de 13 butadieno ya que conforma el hidrocarburo C4 insaturado maacutes
importante econoacutemicamente) es un producto importante de la industria petroquiacutemica Su
sencilla estructura quiacutemica (figura 1) combinada con su bajo peso molecular y alta reactividad
quiacutemica hace que sea un elemento muy uacutetil en la siacutentesis de otros materiales [1]
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno
Antes del desarrollo de la industria de butadieno el butadieno aparece en 1863 cuando el
quiacutemico franceacutes E Caventou aisloacute un hidrocarburo hasta ahora desconocido con la piroacutelisis de
alcohol amiacutelico Este hidrocarburo se identificoacute como butadieno en 1886 despueacutes de que
Henry Edward Amstronglo lo aislara de unos de los productos de la piroacutelisis de petroacuteleo En
1910 el quiacutemico ruso Sergei Lebedev polimerizoacute el butadieno obteniendo un material con
propiedades similares al caucho Este poliacutemero no fue lo suficiente adecuado para reemplazar
el caucho natural en muchas aplicaciones sobre todo en los neumaacuteticos del automoacutevil A partir
de ahiacute la industria de butadieno se centroacute en las necesidades de la Segunda Guerra Mundial
ya que las naciones combatientes como Alemania y Estados Unidos apostaron por disminuir la
dependencia de las industrias del caucho controladas por el Gobierno Britaacutenico [1]
Hasta la actualidad la produccioacuten mundial de butadieno ha estado ligada a la demanda de
manufacturacioacuten de neumaacuteticos Como estudios de 2015 reflejan por primera vez desde 2000
la produccioacuten europea de caucho sinteacutetico a partir de butadieno superoacute la demanda como
resultado de la contraccioacuten de la industria automoviliacutestica Este mismo estudio cifra que la
demanda europea fue de 2459778 toneladas mientras que la produccioacuten se situoacute en
2246137 toneladas Sin embargo observando el futuro de este producto se espera invertir la
situacioacuten superando la produccioacuten a la demanda por 162953 toneladas Ante esta situacioacuten las
3
empresas se mueven hacia un mercado de exportacioacuten con el objetivo de conseguir la
produccioacuten deseada Alguacuten ejemplo apreciable es la expansioacuten de la empresa alemana
LyondellBsell con su unidad de extraccioacuten en Wesseling Alemania y los planes de Versalis para
construir una nueva unidad de 70000 toneladasantildeo en su planta de Dunkerque Francia [2]
21 Caracteriacutesticas de butadieno
Este compuesto presenta propiedades quiacutemicas y fiacutesicas como gas inflamable incoloro con un
olor suave y aromaacutetico ademaacutes de ser altamente reactivo Es soluble en alcohol y eacuteter
insoluble en agua y se polimeriza faacutecilmente (en particular si el oxiacutegeno estaacute presente) Debido
a sus dobles enlaces conjugados pueden tomar parte en numerosas reacciones que incluyen
12- y 14- adicionales con siacute mismo (polimerizacioacuten) y de otros reactivos la dimerizacioacuten lineal
y de trimerizacioacuten y formacioacuten de anillo En la figura 2 siguiente muestra una tabla con las
propiedades principales de este compuesto
Figura 2 Propiedades de butadieno [3]
El 13-butadieno el dieno conjugado maacutes simple ha sido sometido a numerosos estudios para
comprender todas sus propiedades fiacutesicas y quiacutemicas La unioacuten de los dobles enlaces hace que
sea 15kJmol maacutes estable termodinaacutemicamente que una moleacutecula con dos enlaces simples La
4
longitud del doble enlace en 13-butadieno es 0134 nm y los enlaces simples 0148 Ya que los
enlaces simples de carbono-carbono son normalmente de 0154 nm esto indica el grado de
doble enlace en la mitad de enlace simple [4]
22 Aplicaciones
La produccioacuten de butadieno mundial estaacute dominada por las fracciones de craqueo por vapor
de C4 convirtieacutendose en la ruta ideal para maacutes del 95 de la produccioacuten de butadieno En la
Figura 3 se puede distinguir la situacioacuten mundial de butadieno en 1998 y destacar por
ejemplo que en el caso de Europa Occidental la materia especiacutefica de craqueo se centra en la
nafta El motivo de este dominio son los altos rendimientos conseguidos a traveacutes de este
medio sin embargo en la actualidad su aplicacioacuten ha disminuido ligeramente debido al
desarrollo de nuevas teacutecnicas de deshidrogenacioacuten oxidativa como se veraacute en los apartados
siguientes
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 [1]
El butadieno se usa principalmente como monoacutemero en la fabricacioacuten de cauchos o
elastoacutemeros sinteacuteticos como se aprecia en la Figura 4 suponiendo aproximadamente el 70
del uso de butadieno Entre los poliacutemeros destacados de esta aplicacioacuten son Estireno-
butadieno (SBR) caucho de polibutadieno (PBR) policloropreno (Neopreno) y caucho de
nitrilo (NBR) Ademaacutes como monoacutemero es importante como intermediario en la produccioacuten de
algunos productos quiacutemicos (gracias a su alta reactividad quiacutemica) Los cauchos anteriormente
mencionados se distinguiriacutean de la siguiente forma [4]
Caucho estireno-butadieno (SBR) se obtiene por la polimerizacioacuten de estireno y
butadieno constituyendo la mayor aplicacioacuten de butadieno El uso principal de SBR
5
estaacute en neumaacuteticos y en menor cantidad en adhesivos y selladores suelas de zapatos
revestimientos de alambre y cable
Polibutadieno (PB) producido por la polimerizacioacuten de butadieno es el segundo
monoacutemero maacutes usado Ademaacutes de coacutemo materia prima para neumaacuteticos el PB se
utiliza como producto intermedio en la produccioacuten de acrilonitrilo-butadieno-estireno
(ABS) y modificadores de impacto
Laacutetex Estireno-butadieno (SBL) se trata de una dispersioacuten acuosa estable que contiene
discretas partiacuteculas de poliacutemero de aproximadamente 005 a 5 microacutemetros de
diaacutemetro Entre sus aplicaciones consta la goma espuma (cojines esponjas) adhesivos
(pavimentos azulejos) selladores y revestimientos de papel
Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno (ABS) resinas ABS son mezclas de dos fases Se pueden
producir por polimerizacioacuten donde los homopoliacutemeros de polibutadieno se injertan en
un copoliacutemero de estierno-acronitrilo Estas resinas posee una amplia gama de
aplicaciones que incluyen de piezas de automoacuteviles teleacutefonos maacutequinas de oficina tales
como ordenadores y electrodomeacutesticos
Caucho de nitrilo (NBR) este caucho es producido en menor cantidad que los anteriores
y se obtiene a partir de la copolimerizacioacuten de acrilonitrilo y butadieno Este material se
utiliza en productos como mangueras tuberiacuteas de combustible adhesivos guantes y
calzado
Copoliacutemero de bloques de Estireno-butadieno (SBS Y SEBS) sus aplicaciones son incluidas
en aditivos para aceites lubricantes adhesivos aplicaciones de automocioacuten alimentos y
otro tipo de envases dispositivos meacutedicos
Metacrilato de metilo-butadieno-estireno (MMBS) su produccioacuten es maacutes escasa ya que
se dedica como modificador de impacto en piezas de automoacuteviles botellas y envases de
alimentos
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU 2000 (a la derecha) [45]
6
Ademaacutes de los poliacutemeros como se mencionoacute anteriormente el butadieno constituye distintos
intermediarios quiacutemicos En la figura 5 puede apreciarse los tipos de poliacutemeros enumerados y
los compuestos quiacutemicos principales como adiponitrilo cloropropano y sus posteriores
aplicaciones
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno [4]
23 Potencial de exposicioacuten
El butadieno forma parte en la produccioacuten de productos industriales y de consumo sin
embargo sobre la base de estos usos los individuos pueden estar expuestos de diferentes
formas [5]
Exposicioacuten Diaria es la exposicioacuten que afecta a los individuos que trabajan en
instalaciones de butadieno y plantas de productos que emplean este compuesto En
estas instalaciones se pueden enfrentar a las exposiciones maacutes comunes de butadieno
por fallo mecaacutenico de un sello de la bomba el paquete de la vaacutelvula conexioacuten de la
tuberiacutea o junta Sin embargo los responsables emplean sistemas de seguridad
restrictivos regulados y controlados por permisos y normas
7
Exposicioacuten del consumidor de producto conteniente en butadieno los consumidores
estaacuten expuestos a niveles bajos o no detectables de butadieno (butadieno no se vende
para uso de consumidores) a traveacutes de la ingesta de alimentos que estaban
almacenados en envases contenedores de butadieno
Emisiones al medio ambiente butadieno se libera en el medio ambiente tanto de
fuentes industriales y no industriales Ante cualquier emisioacuten el sistema de control se
centra en evitar cualquier probabilidad de incendio y controlar los derrames
reduciendo la contaminacioacuten de aire suelo y aguas superficiales o subterraacuteneas Su
alta presioacuten de vapor y la insolubilidad de agua hace que se acumule en el aire creando
un riesgo en la inhalacioacuten (de ahiacute es necesario proteccioacuten de las viacuteas respiratoria ante
cualquier derrame o fuga)
Riesgo para la salud
Contacto con los ojos butadieno liacutequido puede causar la congelacioacuten si entra en
contacto con los ojos y se evapora raacutepidamente Los vapores de butadieno pueden
causar irritacioacuten en los ojos causando incomodidad y enrojecimiento
Contacto con la piel butadieno no es irritante para la piel aunque el butadieno liacutequido
puede causar congelacioacuten si entra en contacto con la piel
Ingestioacuten es poco probable ya que el material es un gas a temperatura y presioacuten
ambiente Aunque el contacto con butadieno liacutequido podriacutea dar lugar a la congelacioacuten
de los labios
Inhalacioacuten zonas cerradas o poco ventilados los vapores de butadieno se pueden
acumular y causar inconsciencia y la muerte Las exposiciones excesivas pueden causar
irritacioacuten en el sistema respiratorio superior (nariz y garganta) o efectos en el sistema
nervioso central Los siacutentomas pueden incluir efectos anesteacutesicos o narcoacuteticos como
mareo o somnolencia
Exposicioacuten repetida exposiciones excesivas repetidas se han reportado efectos en los
rintildeones el hiacutegado los ovarios las viacuteas respiratorias y los testiacuteculos La exposicioacuten
excesiva puede causar dantildeo a los oacuterganos hematopoyeacuteticos (medula oacutesea y bazo)
Carcinogenecidad el butadieno aparece como un carcinoacutegeno humano por la Agencia
Internacional para la Investigacioacuten sobre el Caacutencer
24 Procesos comerciales de butadieno
La produccioacuten de butadieno desde su descubrimiento a traveacutes de la piroacutelisis de materiales
orgaacutenicos ha sido desarrollada a la misma vez que la industria petroquiacutemica En primer lugar
8
el butadieno era generado a partir del acetileno asiacute como del etanol No obstante la
importancia de estos procesos ha disminuido debido a la creciente produccioacuten de butadieno a
partir del petroacuteleo Se han desarrollado tres sistemas de produccioacuten a traveacutes de esta fuente
[1 24]
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
Es el camino maacutes utilizado para la produccioacuten de butadieno en paiacuteses como Estados Unidos
Oeste de Europa y Japoacuten representando aproximadamente el 91 del suministro mundial de
butadieno En este caso no existe una materia prima principal sino que tanto etano propano
butano nafta y gasoacuteleo se alimentan a una pirolisis (craqueo al vapor) de horno donde
combinado con vapor de agua alcanza temperaturas de entre aproximadamente 790-830ordmC
En este rango de temperatura los enlaces C-C y C-H se rompen produciendo hidrogeno
etileno propileno butadieno benceno tolueno y otros co-productos olefiacutenicos importantes
Despueacutes de la pirolisis se enfriacutea el resto de la planta separa los productos deseados en
distintos cortes de acuerdo a las especificaciones impuestas a cada uno de ellos A
continuacioacuten se aprecia en la Figura 6 un ejemplo de los distintos rendimientos de butadieno
respecto a distintas materias primas
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas [3]
La corriente de producto de butadieno crudo final alcanza concentraciones de hasta
aproximadamente un 75 en peso (esta concentracioacuten puede variar en funcioacuten de reciclo en el
sistema)
Como se puede distinguir en la liacutenea roja de la Figura 7 el butadieno experimenta una serie de
tratamientos posterior a su piroacutelisis como enfriamiento compresioacuten lavado secado y
finalmente un proceso de extraccioacuten para obtener la corriente final de butadieno
9
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking [3]
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
Esta deshidrogenacioacuten constituye parte principal del proceso y se constituye en dos etapas de
trabajo primero convirtiendo n-butano a n-butenos y luego a butadieno (etapas
endoteacutermicas) Estas zonas presentan ademaacutes de los reactores principales (trabajando
aproximadamente en rangos de P absoluta de 12-15 cmHg y T de 600-680ordmC) dos reactores
instalados de forma continua Se pueden apreciar en la Figura 8 el segundo reactor se
utilizariacutea para la regeneracioacuten de catalizador mientras que el tercer reactor es el encargado de
purgar antes de que empiece la regeneracioacuten (de esta manera se comporta como un sistema
continua de produccioacuten)
10
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno [3]
El tiempo de residencia de la alimentacioacuten en el reactor es de aproximadamente de 5 a 15
minutos Ademaacutes a la misma vez que va disminuyendo la temperatura en el lecho de
catalizador se va formando una capa de coque en el lecho Para hacer frente al problema del
coque este proceso posee un sistema de regeneracioacuten que emplea aire precalentado para
quemar esta deposicioacuten (a la misma vez aporta el calor necesario para alcanzar la temperatura
deseada) El efluente del reactor se somete a una serie de tratamientos primer lugar la
corriente se enfriacutea en una torre de enfriamiento posteriormente se comprime antes de la
alimentacioacuten al sistema de absorcioacutenstripper En este complejo de absorcioacuten se consigue un
concentrado de C4 para el sistema final de extraccioacuten de butadieno obteniendo una corriente
de producto de butadieno de gran pureza Esta ruta de proceso se trabaja a un rango de
conversioacuten de aproximadamente un 30-40 y un rendimiento total de 60-65
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
Es un sistema que ha reemplazado a muchos procesos antiguos de produccioacuten de butadieno
debido al desarrollo de varios procesos y sistemas de catalizadores de oxideshidrogenacioacuten de
cualquier n-butano o de n-buteno El 1-buteno es mucho maacutes reactivo y requiere condiciones
de operacioacuten menos severas que la de n-butano siendo el empleo de n-butano menos
eficiente Como recomendaciones en la oxideshidrogenacioacuten una mezcla de n-butenos aire y
vapor se hace pasar sobre un lecho de catalizador a baja presioacuten y aproximadamente de 500-
600ordmC El calor de la reaccioacuten exoteacutermica puede ser eliminado indirectamente mediante la
circulacioacuten de sal fundida o por un meacutetodo alternativo que consiste en antildeadir vapor de agua a
la alimentacioacuten (actuando como disipador de calor) En el proceso Oxo-D como se observa en
11
la Figura 9 una mezcla de aire vapor y 1-buteno se hace pasar sobre el catalizador de
deshidrogenacioacuten en un proceso continuo
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos [3]
Como parte final del proceso el efluente del reactor se enfriacutea y como en el sistema anterior
los componentes C4 se recuperan en un absorbedordesgasificadorstripper El aceite como
disolvente fluye desde los fondos del stripper y regresa al absorbedor aunque antes pasa
traveacutes de una zona de purificacioacuten de disolvente Para obtener la corriente de butadieno final
es necesario eliminar la cantidad de disolvente (aceite) por medio de un stripper y un sistema
de purificacioacuten para obtener la corriente final El rango de rendimiento y selectividad puede
variar entre 70-90 lo que hace innecesario recuperar o reciclar material de alimentacioacuten (la
formacioacuten de C02 como reaccioacuten secundaria puede producir la peacuterdida de rendimiento del
proceso)
12
3 Descripcioacuten del proceso
En el estudio de este proyecto y tras analizar cada una de las opciones de trabajo para la
deshidrogenacioacuten de n-butanos se ha decidido seguir un sistema de deshidrogenacioacuten en dos
etapas [13 67]
1) Deshidrogenacioacuten no oxidativa de los n-butanos para obtener n-butenos
2) Deshidrogenacioacuten oxidativa (oxideshidrogenacioacuten) de los n-butenos para producir
butadieno
Como ya se ha dicho con anterioridad existen tres caminos de produccioacuten de butadieno sin
embargo se considera principalmente debido a la necesidad de eficiencia implantar dos fases
distintas de deshidrogenacioacuten La primera fase que corresponde al proceso Catadiene que
consiste en una deshidrogenacioacuten no oxidativa del n-butano mientras que se complementa
con una zona de oxideshidrogenacioacuten de los n-butenos Se ha decidido tomar este sistema
debido a las siguientes razones
o Mayor conversioacuten y selectividad global gracias a la oxideshidrogenacioacuten el aporte de
oxiacutegeno permite eliminar parte de hidrogeno en forma de agua (rendimiento aprox de
65 y una selectividad de 93)
o Oxiacutegeno junto al vapor alimentado disminuye la coquizacioacuten del catalizador
o Bajo consumo de vapor respecto a la deshidrogenacioacuten no oxidativa
o Adicioacuten de oxiacutegeno en la deshidrogenacioacuten de n-butanos genera una gran cantidad de
productos indeseados debido a que a las altas temperaturas requeridas favorece la
reaccioacuten del oxiacutegeno
o Butenos son muchos maacutes reactivos de ahiacute que necesiten condiciones de operacioacuten
menos severas por lo que no es praacutectico la oxideshidrogenacioacuten del n-butano
Este sistema de deshidrogenacioacuten se dividiraacute en tres fases de procesamiento como se observa
en el diagrama de bloques de la Figura 10
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno (6)
13
En primer lugar este medio de produccioacuten parte de una corriente de n-butanos isobutano
propano y un porcentaje de hidrocarburos (C5) la cual necesita ser tratada para obtener una
corriente pura de n-butanos Este sistema presenta un tren de separacioacuten en primer lugar una
columna de destilacioacuten que lo separe en una corriente de n-butano y posteriormente
aprovechar la corriente de isobutanos con un reactor de isomerizacioacuten para generar maacutes n-
butano o como producto final para otros procesos Maacutes adelante en el proyecto se decidiraacute
que se haraacute con el isobutano
Una vez obtenida la corriente de n-butano se alimenta a la zona de deshidrogenacioacuten
encargada de deshidrogenizar para conseguir el butadieno Como ya se ha enunciado se
instalaraacuten dos zonas de deshidrogenacioacuten con condiciones de operacioacuten diferentes La
deshidrogenacioacuten no oxidativa de n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica trabajando
a un rango de temperatura de 600-700ordmC y una presioacuten de 05-8 bar (3) La reaccioacuten principal
en el primer reactor seriacutea la formacioacuten de buteno a traveacutes de la peacuterdida de hidroacutegeno de n-
butano para dar 1-buteno
C4H10 C4H8 (1-buteno) + H2
Para aportar el calor necesario de reaccioacuten se puede quemar in-situ el hidroacutegeno liberado
antildeadiendo una corriente de oxiacutegeno (aire) Suele ser necesario antildeadir hidroacutegeno adicional
externamente para satisfacer totalmente el calor de reaccioacuten
H2 + O2 H2O
Estas reacciones se catalizan selectivamente por catalizadores especializados a este sistema
Los catalizadores se pueden separar en dos partes fundamentales como soporte y composicioacuten
activa En primer lugar el soporte consiste generalmente en un oacutexido resistente al calor u
oacutexido mixto Los oacutexidos empleados preferentemente son los oacutexidos de aluminio oacutexido de
cromo o dioacutexido de silicio La composicioacuten activa de los catalizadores de deshidrogenacioacuten se
comprende generalmente en uno o maacutes metales del grupo de transicioacuten VII de la tabla
perioacutedica preferentemente platino yo paladio En este caso para este reactor se utiliza el
catalizador maacutes comuacuten que es una mezcla de oacutexido de aluminio y oacutexido de cromo Los
catalizadores de deshidrogenacioacuten en su funcioacuten se degeneran con la necesidad de montar un
reactor en paralelo que permita su regeneracioacuten de forma continua Ademaacutes como se observa
14
en el diagrama de bloques de la figura 10 es necesario la aplicacioacuten a estas zonas de
deshidrogenacioacuten de aire a traveacutes del lecho catalizador
Una vez obtenida la corriente de n-butenos se alimenta al segundo reactor con la diferencia
que necesita la alimentacioacuten de oxiacutegeno para la deshidrogenacioacuten oxidativa del 1-buteno La
adiccioacuten de oxigeno permite mejorar la conversioacuten y la selectividad de la deshidrogenacioacuten de
n-buteno eliminando el hidrogeno (7)
2 C4H8 + O2 2 C4H6 + 2 H2O (Reaccioacuten principal)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O (Reaccioacuten secundaria)
Como al igual que la deshidrogenacioacuten no oxidativa para la deshidrogenacioacuten del 1-buteno se
necesita un catalizador preferentemente un sistema de oacutexido multimetaacutelico Mo-Bi-Fe-O En
esta reaccioacuten aparece la formacioacuten de CO2 como reaccioacuten secundaria indeseada a partir del 1-
buteno Una vez obtenida la corriente final de butadieno n-butano no convertido y los demaacutes
co-productos se llevan a un tren de separacioacuten que consta de una columna de destilacioacuten
extractiva con un solvente En primer lugar la columna de destilacioacuten se separa el resto de
hidrocarburos (n-butanos sin reaccionar) por cabeza mientras que el 13-butadieno sale por
fondos Los fondos presentan gran cantidad de disolvente de ahiacute que utilicen una columna de
recuperacioacuten de disolvente para obtener el butadieno final
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
xvii
1
1 Alcance y objetivo
En este proyecto se desarrolla la ingenieriacutea baacutesica de una planta de produccioacuten de butadieno a
partir de la deshidrogenacioacuten de n-butanos
El trabajo se centra en el estudio en profundidad del proceso de obtencioacuten de butadieno a
traveacutes de una de las rutas de proceso maacutes empleados en la actualidad deshidrogenacioacuten y
oxideshidrogenacioacuten Se marca como objetivo conocer primeramente las caracteriacutesticas del
butadieno y todas sus formas de produccioacuten para mostrar la utilidad que tiene esta ruta
actualmente A la misma vez se justifica la eleccioacuten del proceso elegido comparando las
distintas caracteriacutesticas de cada uno
En esta descripcioacuten del proceso se incluye un anaacutelisis global de cada una de las etapas para a
continuacioacuten especificar cada una de ellas Esta informacioacuten se utiliza para poder completar el
diagrama de proceso y constituir la simulacioacuten de una planta de butadieno Este trabajo
permite estudiar e investigar un proceso poco convencional y poner en praacutectica los
conocimientos estudiados Se lleva a cabo con el programa Aspen Plus donde se intenta
representar el diagrama tendiendo a todas las especificaciones impuestas y conseguir una
visioacuten real numeacuterica del proceso estudiado En este programa se pondraacute en praacutectica el uso de
balances de materia y energiacutea necesarios para comprender los resultados obtenidos Por
uacuteltimo se aprovechan los caacutelculos realizados en el simulador para disentildear los equipos maacutes
representativos en el sistema Para ello antes hay que disentildear un diagrama de proceso con las
directrices estudiadas tanto en la informacioacuten buscada como los conceptos adquiridos
Como criterio de disentildeo se fija una capacidad de produccioacuten acorde con una planta de
butadieno que utiliza como materia prima el n-butano ademaacutes de un disentildeo que represente
los equipos industriales necesarios comuacutenmente en este tipo de proceso Aunque se trata de
una ingenieriacutea baacutesica se decide durante la realizacioacuten del mismo no llevar a cabo el balance
econoacutemico de todo el proyecto ya que se considera prescindible debido a sus numerosas
praacutecticas durante la carrera
2
2 Introduccioacuten
El butadieno (se habla de 13 butadieno ya que conforma el hidrocarburo C4 insaturado maacutes
importante econoacutemicamente) es un producto importante de la industria petroquiacutemica Su
sencilla estructura quiacutemica (figura 1) combinada con su bajo peso molecular y alta reactividad
quiacutemica hace que sea un elemento muy uacutetil en la siacutentesis de otros materiales [1]
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno
Antes del desarrollo de la industria de butadieno el butadieno aparece en 1863 cuando el
quiacutemico franceacutes E Caventou aisloacute un hidrocarburo hasta ahora desconocido con la piroacutelisis de
alcohol amiacutelico Este hidrocarburo se identificoacute como butadieno en 1886 despueacutes de que
Henry Edward Amstronglo lo aislara de unos de los productos de la piroacutelisis de petroacuteleo En
1910 el quiacutemico ruso Sergei Lebedev polimerizoacute el butadieno obteniendo un material con
propiedades similares al caucho Este poliacutemero no fue lo suficiente adecuado para reemplazar
el caucho natural en muchas aplicaciones sobre todo en los neumaacuteticos del automoacutevil A partir
de ahiacute la industria de butadieno se centroacute en las necesidades de la Segunda Guerra Mundial
ya que las naciones combatientes como Alemania y Estados Unidos apostaron por disminuir la
dependencia de las industrias del caucho controladas por el Gobierno Britaacutenico [1]
Hasta la actualidad la produccioacuten mundial de butadieno ha estado ligada a la demanda de
manufacturacioacuten de neumaacuteticos Como estudios de 2015 reflejan por primera vez desde 2000
la produccioacuten europea de caucho sinteacutetico a partir de butadieno superoacute la demanda como
resultado de la contraccioacuten de la industria automoviliacutestica Este mismo estudio cifra que la
demanda europea fue de 2459778 toneladas mientras que la produccioacuten se situoacute en
2246137 toneladas Sin embargo observando el futuro de este producto se espera invertir la
situacioacuten superando la produccioacuten a la demanda por 162953 toneladas Ante esta situacioacuten las
3
empresas se mueven hacia un mercado de exportacioacuten con el objetivo de conseguir la
produccioacuten deseada Alguacuten ejemplo apreciable es la expansioacuten de la empresa alemana
LyondellBsell con su unidad de extraccioacuten en Wesseling Alemania y los planes de Versalis para
construir una nueva unidad de 70000 toneladasantildeo en su planta de Dunkerque Francia [2]
21 Caracteriacutesticas de butadieno
Este compuesto presenta propiedades quiacutemicas y fiacutesicas como gas inflamable incoloro con un
olor suave y aromaacutetico ademaacutes de ser altamente reactivo Es soluble en alcohol y eacuteter
insoluble en agua y se polimeriza faacutecilmente (en particular si el oxiacutegeno estaacute presente) Debido
a sus dobles enlaces conjugados pueden tomar parte en numerosas reacciones que incluyen
12- y 14- adicionales con siacute mismo (polimerizacioacuten) y de otros reactivos la dimerizacioacuten lineal
y de trimerizacioacuten y formacioacuten de anillo En la figura 2 siguiente muestra una tabla con las
propiedades principales de este compuesto
Figura 2 Propiedades de butadieno [3]
El 13-butadieno el dieno conjugado maacutes simple ha sido sometido a numerosos estudios para
comprender todas sus propiedades fiacutesicas y quiacutemicas La unioacuten de los dobles enlaces hace que
sea 15kJmol maacutes estable termodinaacutemicamente que una moleacutecula con dos enlaces simples La
4
longitud del doble enlace en 13-butadieno es 0134 nm y los enlaces simples 0148 Ya que los
enlaces simples de carbono-carbono son normalmente de 0154 nm esto indica el grado de
doble enlace en la mitad de enlace simple [4]
22 Aplicaciones
La produccioacuten de butadieno mundial estaacute dominada por las fracciones de craqueo por vapor
de C4 convirtieacutendose en la ruta ideal para maacutes del 95 de la produccioacuten de butadieno En la
Figura 3 se puede distinguir la situacioacuten mundial de butadieno en 1998 y destacar por
ejemplo que en el caso de Europa Occidental la materia especiacutefica de craqueo se centra en la
nafta El motivo de este dominio son los altos rendimientos conseguidos a traveacutes de este
medio sin embargo en la actualidad su aplicacioacuten ha disminuido ligeramente debido al
desarrollo de nuevas teacutecnicas de deshidrogenacioacuten oxidativa como se veraacute en los apartados
siguientes
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 [1]
El butadieno se usa principalmente como monoacutemero en la fabricacioacuten de cauchos o
elastoacutemeros sinteacuteticos como se aprecia en la Figura 4 suponiendo aproximadamente el 70
del uso de butadieno Entre los poliacutemeros destacados de esta aplicacioacuten son Estireno-
butadieno (SBR) caucho de polibutadieno (PBR) policloropreno (Neopreno) y caucho de
nitrilo (NBR) Ademaacutes como monoacutemero es importante como intermediario en la produccioacuten de
algunos productos quiacutemicos (gracias a su alta reactividad quiacutemica) Los cauchos anteriormente
mencionados se distinguiriacutean de la siguiente forma [4]
Caucho estireno-butadieno (SBR) se obtiene por la polimerizacioacuten de estireno y
butadieno constituyendo la mayor aplicacioacuten de butadieno El uso principal de SBR
5
estaacute en neumaacuteticos y en menor cantidad en adhesivos y selladores suelas de zapatos
revestimientos de alambre y cable
Polibutadieno (PB) producido por la polimerizacioacuten de butadieno es el segundo
monoacutemero maacutes usado Ademaacutes de coacutemo materia prima para neumaacuteticos el PB se
utiliza como producto intermedio en la produccioacuten de acrilonitrilo-butadieno-estireno
(ABS) y modificadores de impacto
Laacutetex Estireno-butadieno (SBL) se trata de una dispersioacuten acuosa estable que contiene
discretas partiacuteculas de poliacutemero de aproximadamente 005 a 5 microacutemetros de
diaacutemetro Entre sus aplicaciones consta la goma espuma (cojines esponjas) adhesivos
(pavimentos azulejos) selladores y revestimientos de papel
Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno (ABS) resinas ABS son mezclas de dos fases Se pueden
producir por polimerizacioacuten donde los homopoliacutemeros de polibutadieno se injertan en
un copoliacutemero de estierno-acronitrilo Estas resinas posee una amplia gama de
aplicaciones que incluyen de piezas de automoacuteviles teleacutefonos maacutequinas de oficina tales
como ordenadores y electrodomeacutesticos
Caucho de nitrilo (NBR) este caucho es producido en menor cantidad que los anteriores
y se obtiene a partir de la copolimerizacioacuten de acrilonitrilo y butadieno Este material se
utiliza en productos como mangueras tuberiacuteas de combustible adhesivos guantes y
calzado
Copoliacutemero de bloques de Estireno-butadieno (SBS Y SEBS) sus aplicaciones son incluidas
en aditivos para aceites lubricantes adhesivos aplicaciones de automocioacuten alimentos y
otro tipo de envases dispositivos meacutedicos
Metacrilato de metilo-butadieno-estireno (MMBS) su produccioacuten es maacutes escasa ya que
se dedica como modificador de impacto en piezas de automoacuteviles botellas y envases de
alimentos
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU 2000 (a la derecha) [45]
6
Ademaacutes de los poliacutemeros como se mencionoacute anteriormente el butadieno constituye distintos
intermediarios quiacutemicos En la figura 5 puede apreciarse los tipos de poliacutemeros enumerados y
los compuestos quiacutemicos principales como adiponitrilo cloropropano y sus posteriores
aplicaciones
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno [4]
23 Potencial de exposicioacuten
El butadieno forma parte en la produccioacuten de productos industriales y de consumo sin
embargo sobre la base de estos usos los individuos pueden estar expuestos de diferentes
formas [5]
Exposicioacuten Diaria es la exposicioacuten que afecta a los individuos que trabajan en
instalaciones de butadieno y plantas de productos que emplean este compuesto En
estas instalaciones se pueden enfrentar a las exposiciones maacutes comunes de butadieno
por fallo mecaacutenico de un sello de la bomba el paquete de la vaacutelvula conexioacuten de la
tuberiacutea o junta Sin embargo los responsables emplean sistemas de seguridad
restrictivos regulados y controlados por permisos y normas
7
Exposicioacuten del consumidor de producto conteniente en butadieno los consumidores
estaacuten expuestos a niveles bajos o no detectables de butadieno (butadieno no se vende
para uso de consumidores) a traveacutes de la ingesta de alimentos que estaban
almacenados en envases contenedores de butadieno
Emisiones al medio ambiente butadieno se libera en el medio ambiente tanto de
fuentes industriales y no industriales Ante cualquier emisioacuten el sistema de control se
centra en evitar cualquier probabilidad de incendio y controlar los derrames
reduciendo la contaminacioacuten de aire suelo y aguas superficiales o subterraacuteneas Su
alta presioacuten de vapor y la insolubilidad de agua hace que se acumule en el aire creando
un riesgo en la inhalacioacuten (de ahiacute es necesario proteccioacuten de las viacuteas respiratoria ante
cualquier derrame o fuga)
Riesgo para la salud
Contacto con los ojos butadieno liacutequido puede causar la congelacioacuten si entra en
contacto con los ojos y se evapora raacutepidamente Los vapores de butadieno pueden
causar irritacioacuten en los ojos causando incomodidad y enrojecimiento
Contacto con la piel butadieno no es irritante para la piel aunque el butadieno liacutequido
puede causar congelacioacuten si entra en contacto con la piel
Ingestioacuten es poco probable ya que el material es un gas a temperatura y presioacuten
ambiente Aunque el contacto con butadieno liacutequido podriacutea dar lugar a la congelacioacuten
de los labios
Inhalacioacuten zonas cerradas o poco ventilados los vapores de butadieno se pueden
acumular y causar inconsciencia y la muerte Las exposiciones excesivas pueden causar
irritacioacuten en el sistema respiratorio superior (nariz y garganta) o efectos en el sistema
nervioso central Los siacutentomas pueden incluir efectos anesteacutesicos o narcoacuteticos como
mareo o somnolencia
Exposicioacuten repetida exposiciones excesivas repetidas se han reportado efectos en los
rintildeones el hiacutegado los ovarios las viacuteas respiratorias y los testiacuteculos La exposicioacuten
excesiva puede causar dantildeo a los oacuterganos hematopoyeacuteticos (medula oacutesea y bazo)
Carcinogenecidad el butadieno aparece como un carcinoacutegeno humano por la Agencia
Internacional para la Investigacioacuten sobre el Caacutencer
24 Procesos comerciales de butadieno
La produccioacuten de butadieno desde su descubrimiento a traveacutes de la piroacutelisis de materiales
orgaacutenicos ha sido desarrollada a la misma vez que la industria petroquiacutemica En primer lugar
8
el butadieno era generado a partir del acetileno asiacute como del etanol No obstante la
importancia de estos procesos ha disminuido debido a la creciente produccioacuten de butadieno a
partir del petroacuteleo Se han desarrollado tres sistemas de produccioacuten a traveacutes de esta fuente
[1 24]
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
Es el camino maacutes utilizado para la produccioacuten de butadieno en paiacuteses como Estados Unidos
Oeste de Europa y Japoacuten representando aproximadamente el 91 del suministro mundial de
butadieno En este caso no existe una materia prima principal sino que tanto etano propano
butano nafta y gasoacuteleo se alimentan a una pirolisis (craqueo al vapor) de horno donde
combinado con vapor de agua alcanza temperaturas de entre aproximadamente 790-830ordmC
En este rango de temperatura los enlaces C-C y C-H se rompen produciendo hidrogeno
etileno propileno butadieno benceno tolueno y otros co-productos olefiacutenicos importantes
Despueacutes de la pirolisis se enfriacutea el resto de la planta separa los productos deseados en
distintos cortes de acuerdo a las especificaciones impuestas a cada uno de ellos A
continuacioacuten se aprecia en la Figura 6 un ejemplo de los distintos rendimientos de butadieno
respecto a distintas materias primas
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas [3]
La corriente de producto de butadieno crudo final alcanza concentraciones de hasta
aproximadamente un 75 en peso (esta concentracioacuten puede variar en funcioacuten de reciclo en el
sistema)
Como se puede distinguir en la liacutenea roja de la Figura 7 el butadieno experimenta una serie de
tratamientos posterior a su piroacutelisis como enfriamiento compresioacuten lavado secado y
finalmente un proceso de extraccioacuten para obtener la corriente final de butadieno
9
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking [3]
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
Esta deshidrogenacioacuten constituye parte principal del proceso y se constituye en dos etapas de
trabajo primero convirtiendo n-butano a n-butenos y luego a butadieno (etapas
endoteacutermicas) Estas zonas presentan ademaacutes de los reactores principales (trabajando
aproximadamente en rangos de P absoluta de 12-15 cmHg y T de 600-680ordmC) dos reactores
instalados de forma continua Se pueden apreciar en la Figura 8 el segundo reactor se
utilizariacutea para la regeneracioacuten de catalizador mientras que el tercer reactor es el encargado de
purgar antes de que empiece la regeneracioacuten (de esta manera se comporta como un sistema
continua de produccioacuten)
10
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno [3]
El tiempo de residencia de la alimentacioacuten en el reactor es de aproximadamente de 5 a 15
minutos Ademaacutes a la misma vez que va disminuyendo la temperatura en el lecho de
catalizador se va formando una capa de coque en el lecho Para hacer frente al problema del
coque este proceso posee un sistema de regeneracioacuten que emplea aire precalentado para
quemar esta deposicioacuten (a la misma vez aporta el calor necesario para alcanzar la temperatura
deseada) El efluente del reactor se somete a una serie de tratamientos primer lugar la
corriente se enfriacutea en una torre de enfriamiento posteriormente se comprime antes de la
alimentacioacuten al sistema de absorcioacutenstripper En este complejo de absorcioacuten se consigue un
concentrado de C4 para el sistema final de extraccioacuten de butadieno obteniendo una corriente
de producto de butadieno de gran pureza Esta ruta de proceso se trabaja a un rango de
conversioacuten de aproximadamente un 30-40 y un rendimiento total de 60-65
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
Es un sistema que ha reemplazado a muchos procesos antiguos de produccioacuten de butadieno
debido al desarrollo de varios procesos y sistemas de catalizadores de oxideshidrogenacioacuten de
cualquier n-butano o de n-buteno El 1-buteno es mucho maacutes reactivo y requiere condiciones
de operacioacuten menos severas que la de n-butano siendo el empleo de n-butano menos
eficiente Como recomendaciones en la oxideshidrogenacioacuten una mezcla de n-butenos aire y
vapor se hace pasar sobre un lecho de catalizador a baja presioacuten y aproximadamente de 500-
600ordmC El calor de la reaccioacuten exoteacutermica puede ser eliminado indirectamente mediante la
circulacioacuten de sal fundida o por un meacutetodo alternativo que consiste en antildeadir vapor de agua a
la alimentacioacuten (actuando como disipador de calor) En el proceso Oxo-D como se observa en
11
la Figura 9 una mezcla de aire vapor y 1-buteno se hace pasar sobre el catalizador de
deshidrogenacioacuten en un proceso continuo
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos [3]
Como parte final del proceso el efluente del reactor se enfriacutea y como en el sistema anterior
los componentes C4 se recuperan en un absorbedordesgasificadorstripper El aceite como
disolvente fluye desde los fondos del stripper y regresa al absorbedor aunque antes pasa
traveacutes de una zona de purificacioacuten de disolvente Para obtener la corriente de butadieno final
es necesario eliminar la cantidad de disolvente (aceite) por medio de un stripper y un sistema
de purificacioacuten para obtener la corriente final El rango de rendimiento y selectividad puede
variar entre 70-90 lo que hace innecesario recuperar o reciclar material de alimentacioacuten (la
formacioacuten de C02 como reaccioacuten secundaria puede producir la peacuterdida de rendimiento del
proceso)
12
3 Descripcioacuten del proceso
En el estudio de este proyecto y tras analizar cada una de las opciones de trabajo para la
deshidrogenacioacuten de n-butanos se ha decidido seguir un sistema de deshidrogenacioacuten en dos
etapas [13 67]
1) Deshidrogenacioacuten no oxidativa de los n-butanos para obtener n-butenos
2) Deshidrogenacioacuten oxidativa (oxideshidrogenacioacuten) de los n-butenos para producir
butadieno
Como ya se ha dicho con anterioridad existen tres caminos de produccioacuten de butadieno sin
embargo se considera principalmente debido a la necesidad de eficiencia implantar dos fases
distintas de deshidrogenacioacuten La primera fase que corresponde al proceso Catadiene que
consiste en una deshidrogenacioacuten no oxidativa del n-butano mientras que se complementa
con una zona de oxideshidrogenacioacuten de los n-butenos Se ha decidido tomar este sistema
debido a las siguientes razones
o Mayor conversioacuten y selectividad global gracias a la oxideshidrogenacioacuten el aporte de
oxiacutegeno permite eliminar parte de hidrogeno en forma de agua (rendimiento aprox de
65 y una selectividad de 93)
o Oxiacutegeno junto al vapor alimentado disminuye la coquizacioacuten del catalizador
o Bajo consumo de vapor respecto a la deshidrogenacioacuten no oxidativa
o Adicioacuten de oxiacutegeno en la deshidrogenacioacuten de n-butanos genera una gran cantidad de
productos indeseados debido a que a las altas temperaturas requeridas favorece la
reaccioacuten del oxiacutegeno
o Butenos son muchos maacutes reactivos de ahiacute que necesiten condiciones de operacioacuten
menos severas por lo que no es praacutectico la oxideshidrogenacioacuten del n-butano
Este sistema de deshidrogenacioacuten se dividiraacute en tres fases de procesamiento como se observa
en el diagrama de bloques de la Figura 10
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno (6)
13
En primer lugar este medio de produccioacuten parte de una corriente de n-butanos isobutano
propano y un porcentaje de hidrocarburos (C5) la cual necesita ser tratada para obtener una
corriente pura de n-butanos Este sistema presenta un tren de separacioacuten en primer lugar una
columna de destilacioacuten que lo separe en una corriente de n-butano y posteriormente
aprovechar la corriente de isobutanos con un reactor de isomerizacioacuten para generar maacutes n-
butano o como producto final para otros procesos Maacutes adelante en el proyecto se decidiraacute
que se haraacute con el isobutano
Una vez obtenida la corriente de n-butano se alimenta a la zona de deshidrogenacioacuten
encargada de deshidrogenizar para conseguir el butadieno Como ya se ha enunciado se
instalaraacuten dos zonas de deshidrogenacioacuten con condiciones de operacioacuten diferentes La
deshidrogenacioacuten no oxidativa de n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica trabajando
a un rango de temperatura de 600-700ordmC y una presioacuten de 05-8 bar (3) La reaccioacuten principal
en el primer reactor seriacutea la formacioacuten de buteno a traveacutes de la peacuterdida de hidroacutegeno de n-
butano para dar 1-buteno
C4H10 C4H8 (1-buteno) + H2
Para aportar el calor necesario de reaccioacuten se puede quemar in-situ el hidroacutegeno liberado
antildeadiendo una corriente de oxiacutegeno (aire) Suele ser necesario antildeadir hidroacutegeno adicional
externamente para satisfacer totalmente el calor de reaccioacuten
H2 + O2 H2O
Estas reacciones se catalizan selectivamente por catalizadores especializados a este sistema
Los catalizadores se pueden separar en dos partes fundamentales como soporte y composicioacuten
activa En primer lugar el soporte consiste generalmente en un oacutexido resistente al calor u
oacutexido mixto Los oacutexidos empleados preferentemente son los oacutexidos de aluminio oacutexido de
cromo o dioacutexido de silicio La composicioacuten activa de los catalizadores de deshidrogenacioacuten se
comprende generalmente en uno o maacutes metales del grupo de transicioacuten VII de la tabla
perioacutedica preferentemente platino yo paladio En este caso para este reactor se utiliza el
catalizador maacutes comuacuten que es una mezcla de oacutexido de aluminio y oacutexido de cromo Los
catalizadores de deshidrogenacioacuten en su funcioacuten se degeneran con la necesidad de montar un
reactor en paralelo que permita su regeneracioacuten de forma continua Ademaacutes como se observa
14
en el diagrama de bloques de la figura 10 es necesario la aplicacioacuten a estas zonas de
deshidrogenacioacuten de aire a traveacutes del lecho catalizador
Una vez obtenida la corriente de n-butenos se alimenta al segundo reactor con la diferencia
que necesita la alimentacioacuten de oxiacutegeno para la deshidrogenacioacuten oxidativa del 1-buteno La
adiccioacuten de oxigeno permite mejorar la conversioacuten y la selectividad de la deshidrogenacioacuten de
n-buteno eliminando el hidrogeno (7)
2 C4H8 + O2 2 C4H6 + 2 H2O (Reaccioacuten principal)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O (Reaccioacuten secundaria)
Como al igual que la deshidrogenacioacuten no oxidativa para la deshidrogenacioacuten del 1-buteno se
necesita un catalizador preferentemente un sistema de oacutexido multimetaacutelico Mo-Bi-Fe-O En
esta reaccioacuten aparece la formacioacuten de CO2 como reaccioacuten secundaria indeseada a partir del 1-
buteno Una vez obtenida la corriente final de butadieno n-butano no convertido y los demaacutes
co-productos se llevan a un tren de separacioacuten que consta de una columna de destilacioacuten
extractiva con un solvente En primer lugar la columna de destilacioacuten se separa el resto de
hidrocarburos (n-butanos sin reaccionar) por cabeza mientras que el 13-butadieno sale por
fondos Los fondos presentan gran cantidad de disolvente de ahiacute que utilicen una columna de
recuperacioacuten de disolvente para obtener el butadieno final
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
1
1 Alcance y objetivo
En este proyecto se desarrolla la ingenieriacutea baacutesica de una planta de produccioacuten de butadieno a
partir de la deshidrogenacioacuten de n-butanos
El trabajo se centra en el estudio en profundidad del proceso de obtencioacuten de butadieno a
traveacutes de una de las rutas de proceso maacutes empleados en la actualidad deshidrogenacioacuten y
oxideshidrogenacioacuten Se marca como objetivo conocer primeramente las caracteriacutesticas del
butadieno y todas sus formas de produccioacuten para mostrar la utilidad que tiene esta ruta
actualmente A la misma vez se justifica la eleccioacuten del proceso elegido comparando las
distintas caracteriacutesticas de cada uno
En esta descripcioacuten del proceso se incluye un anaacutelisis global de cada una de las etapas para a
continuacioacuten especificar cada una de ellas Esta informacioacuten se utiliza para poder completar el
diagrama de proceso y constituir la simulacioacuten de una planta de butadieno Este trabajo
permite estudiar e investigar un proceso poco convencional y poner en praacutectica los
conocimientos estudiados Se lleva a cabo con el programa Aspen Plus donde se intenta
representar el diagrama tendiendo a todas las especificaciones impuestas y conseguir una
visioacuten real numeacuterica del proceso estudiado En este programa se pondraacute en praacutectica el uso de
balances de materia y energiacutea necesarios para comprender los resultados obtenidos Por
uacuteltimo se aprovechan los caacutelculos realizados en el simulador para disentildear los equipos maacutes
representativos en el sistema Para ello antes hay que disentildear un diagrama de proceso con las
directrices estudiadas tanto en la informacioacuten buscada como los conceptos adquiridos
Como criterio de disentildeo se fija una capacidad de produccioacuten acorde con una planta de
butadieno que utiliza como materia prima el n-butano ademaacutes de un disentildeo que represente
los equipos industriales necesarios comuacutenmente en este tipo de proceso Aunque se trata de
una ingenieriacutea baacutesica se decide durante la realizacioacuten del mismo no llevar a cabo el balance
econoacutemico de todo el proyecto ya que se considera prescindible debido a sus numerosas
praacutecticas durante la carrera
2
2 Introduccioacuten
El butadieno (se habla de 13 butadieno ya que conforma el hidrocarburo C4 insaturado maacutes
importante econoacutemicamente) es un producto importante de la industria petroquiacutemica Su
sencilla estructura quiacutemica (figura 1) combinada con su bajo peso molecular y alta reactividad
quiacutemica hace que sea un elemento muy uacutetil en la siacutentesis de otros materiales [1]
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno
Antes del desarrollo de la industria de butadieno el butadieno aparece en 1863 cuando el
quiacutemico franceacutes E Caventou aisloacute un hidrocarburo hasta ahora desconocido con la piroacutelisis de
alcohol amiacutelico Este hidrocarburo se identificoacute como butadieno en 1886 despueacutes de que
Henry Edward Amstronglo lo aislara de unos de los productos de la piroacutelisis de petroacuteleo En
1910 el quiacutemico ruso Sergei Lebedev polimerizoacute el butadieno obteniendo un material con
propiedades similares al caucho Este poliacutemero no fue lo suficiente adecuado para reemplazar
el caucho natural en muchas aplicaciones sobre todo en los neumaacuteticos del automoacutevil A partir
de ahiacute la industria de butadieno se centroacute en las necesidades de la Segunda Guerra Mundial
ya que las naciones combatientes como Alemania y Estados Unidos apostaron por disminuir la
dependencia de las industrias del caucho controladas por el Gobierno Britaacutenico [1]
Hasta la actualidad la produccioacuten mundial de butadieno ha estado ligada a la demanda de
manufacturacioacuten de neumaacuteticos Como estudios de 2015 reflejan por primera vez desde 2000
la produccioacuten europea de caucho sinteacutetico a partir de butadieno superoacute la demanda como
resultado de la contraccioacuten de la industria automoviliacutestica Este mismo estudio cifra que la
demanda europea fue de 2459778 toneladas mientras que la produccioacuten se situoacute en
2246137 toneladas Sin embargo observando el futuro de este producto se espera invertir la
situacioacuten superando la produccioacuten a la demanda por 162953 toneladas Ante esta situacioacuten las
3
empresas se mueven hacia un mercado de exportacioacuten con el objetivo de conseguir la
produccioacuten deseada Alguacuten ejemplo apreciable es la expansioacuten de la empresa alemana
LyondellBsell con su unidad de extraccioacuten en Wesseling Alemania y los planes de Versalis para
construir una nueva unidad de 70000 toneladasantildeo en su planta de Dunkerque Francia [2]
21 Caracteriacutesticas de butadieno
Este compuesto presenta propiedades quiacutemicas y fiacutesicas como gas inflamable incoloro con un
olor suave y aromaacutetico ademaacutes de ser altamente reactivo Es soluble en alcohol y eacuteter
insoluble en agua y se polimeriza faacutecilmente (en particular si el oxiacutegeno estaacute presente) Debido
a sus dobles enlaces conjugados pueden tomar parte en numerosas reacciones que incluyen
12- y 14- adicionales con siacute mismo (polimerizacioacuten) y de otros reactivos la dimerizacioacuten lineal
y de trimerizacioacuten y formacioacuten de anillo En la figura 2 siguiente muestra una tabla con las
propiedades principales de este compuesto
Figura 2 Propiedades de butadieno [3]
El 13-butadieno el dieno conjugado maacutes simple ha sido sometido a numerosos estudios para
comprender todas sus propiedades fiacutesicas y quiacutemicas La unioacuten de los dobles enlaces hace que
sea 15kJmol maacutes estable termodinaacutemicamente que una moleacutecula con dos enlaces simples La
4
longitud del doble enlace en 13-butadieno es 0134 nm y los enlaces simples 0148 Ya que los
enlaces simples de carbono-carbono son normalmente de 0154 nm esto indica el grado de
doble enlace en la mitad de enlace simple [4]
22 Aplicaciones
La produccioacuten de butadieno mundial estaacute dominada por las fracciones de craqueo por vapor
de C4 convirtieacutendose en la ruta ideal para maacutes del 95 de la produccioacuten de butadieno En la
Figura 3 se puede distinguir la situacioacuten mundial de butadieno en 1998 y destacar por
ejemplo que en el caso de Europa Occidental la materia especiacutefica de craqueo se centra en la
nafta El motivo de este dominio son los altos rendimientos conseguidos a traveacutes de este
medio sin embargo en la actualidad su aplicacioacuten ha disminuido ligeramente debido al
desarrollo de nuevas teacutecnicas de deshidrogenacioacuten oxidativa como se veraacute en los apartados
siguientes
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 [1]
El butadieno se usa principalmente como monoacutemero en la fabricacioacuten de cauchos o
elastoacutemeros sinteacuteticos como se aprecia en la Figura 4 suponiendo aproximadamente el 70
del uso de butadieno Entre los poliacutemeros destacados de esta aplicacioacuten son Estireno-
butadieno (SBR) caucho de polibutadieno (PBR) policloropreno (Neopreno) y caucho de
nitrilo (NBR) Ademaacutes como monoacutemero es importante como intermediario en la produccioacuten de
algunos productos quiacutemicos (gracias a su alta reactividad quiacutemica) Los cauchos anteriormente
mencionados se distinguiriacutean de la siguiente forma [4]
Caucho estireno-butadieno (SBR) se obtiene por la polimerizacioacuten de estireno y
butadieno constituyendo la mayor aplicacioacuten de butadieno El uso principal de SBR
5
estaacute en neumaacuteticos y en menor cantidad en adhesivos y selladores suelas de zapatos
revestimientos de alambre y cable
Polibutadieno (PB) producido por la polimerizacioacuten de butadieno es el segundo
monoacutemero maacutes usado Ademaacutes de coacutemo materia prima para neumaacuteticos el PB se
utiliza como producto intermedio en la produccioacuten de acrilonitrilo-butadieno-estireno
(ABS) y modificadores de impacto
Laacutetex Estireno-butadieno (SBL) se trata de una dispersioacuten acuosa estable que contiene
discretas partiacuteculas de poliacutemero de aproximadamente 005 a 5 microacutemetros de
diaacutemetro Entre sus aplicaciones consta la goma espuma (cojines esponjas) adhesivos
(pavimentos azulejos) selladores y revestimientos de papel
Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno (ABS) resinas ABS son mezclas de dos fases Se pueden
producir por polimerizacioacuten donde los homopoliacutemeros de polibutadieno se injertan en
un copoliacutemero de estierno-acronitrilo Estas resinas posee una amplia gama de
aplicaciones que incluyen de piezas de automoacuteviles teleacutefonos maacutequinas de oficina tales
como ordenadores y electrodomeacutesticos
Caucho de nitrilo (NBR) este caucho es producido en menor cantidad que los anteriores
y se obtiene a partir de la copolimerizacioacuten de acrilonitrilo y butadieno Este material se
utiliza en productos como mangueras tuberiacuteas de combustible adhesivos guantes y
calzado
Copoliacutemero de bloques de Estireno-butadieno (SBS Y SEBS) sus aplicaciones son incluidas
en aditivos para aceites lubricantes adhesivos aplicaciones de automocioacuten alimentos y
otro tipo de envases dispositivos meacutedicos
Metacrilato de metilo-butadieno-estireno (MMBS) su produccioacuten es maacutes escasa ya que
se dedica como modificador de impacto en piezas de automoacuteviles botellas y envases de
alimentos
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU 2000 (a la derecha) [45]
6
Ademaacutes de los poliacutemeros como se mencionoacute anteriormente el butadieno constituye distintos
intermediarios quiacutemicos En la figura 5 puede apreciarse los tipos de poliacutemeros enumerados y
los compuestos quiacutemicos principales como adiponitrilo cloropropano y sus posteriores
aplicaciones
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno [4]
23 Potencial de exposicioacuten
El butadieno forma parte en la produccioacuten de productos industriales y de consumo sin
embargo sobre la base de estos usos los individuos pueden estar expuestos de diferentes
formas [5]
Exposicioacuten Diaria es la exposicioacuten que afecta a los individuos que trabajan en
instalaciones de butadieno y plantas de productos que emplean este compuesto En
estas instalaciones se pueden enfrentar a las exposiciones maacutes comunes de butadieno
por fallo mecaacutenico de un sello de la bomba el paquete de la vaacutelvula conexioacuten de la
tuberiacutea o junta Sin embargo los responsables emplean sistemas de seguridad
restrictivos regulados y controlados por permisos y normas
7
Exposicioacuten del consumidor de producto conteniente en butadieno los consumidores
estaacuten expuestos a niveles bajos o no detectables de butadieno (butadieno no se vende
para uso de consumidores) a traveacutes de la ingesta de alimentos que estaban
almacenados en envases contenedores de butadieno
Emisiones al medio ambiente butadieno se libera en el medio ambiente tanto de
fuentes industriales y no industriales Ante cualquier emisioacuten el sistema de control se
centra en evitar cualquier probabilidad de incendio y controlar los derrames
reduciendo la contaminacioacuten de aire suelo y aguas superficiales o subterraacuteneas Su
alta presioacuten de vapor y la insolubilidad de agua hace que se acumule en el aire creando
un riesgo en la inhalacioacuten (de ahiacute es necesario proteccioacuten de las viacuteas respiratoria ante
cualquier derrame o fuga)
Riesgo para la salud
Contacto con los ojos butadieno liacutequido puede causar la congelacioacuten si entra en
contacto con los ojos y se evapora raacutepidamente Los vapores de butadieno pueden
causar irritacioacuten en los ojos causando incomodidad y enrojecimiento
Contacto con la piel butadieno no es irritante para la piel aunque el butadieno liacutequido
puede causar congelacioacuten si entra en contacto con la piel
Ingestioacuten es poco probable ya que el material es un gas a temperatura y presioacuten
ambiente Aunque el contacto con butadieno liacutequido podriacutea dar lugar a la congelacioacuten
de los labios
Inhalacioacuten zonas cerradas o poco ventilados los vapores de butadieno se pueden
acumular y causar inconsciencia y la muerte Las exposiciones excesivas pueden causar
irritacioacuten en el sistema respiratorio superior (nariz y garganta) o efectos en el sistema
nervioso central Los siacutentomas pueden incluir efectos anesteacutesicos o narcoacuteticos como
mareo o somnolencia
Exposicioacuten repetida exposiciones excesivas repetidas se han reportado efectos en los
rintildeones el hiacutegado los ovarios las viacuteas respiratorias y los testiacuteculos La exposicioacuten
excesiva puede causar dantildeo a los oacuterganos hematopoyeacuteticos (medula oacutesea y bazo)
Carcinogenecidad el butadieno aparece como un carcinoacutegeno humano por la Agencia
Internacional para la Investigacioacuten sobre el Caacutencer
24 Procesos comerciales de butadieno
La produccioacuten de butadieno desde su descubrimiento a traveacutes de la piroacutelisis de materiales
orgaacutenicos ha sido desarrollada a la misma vez que la industria petroquiacutemica En primer lugar
8
el butadieno era generado a partir del acetileno asiacute como del etanol No obstante la
importancia de estos procesos ha disminuido debido a la creciente produccioacuten de butadieno a
partir del petroacuteleo Se han desarrollado tres sistemas de produccioacuten a traveacutes de esta fuente
[1 24]
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
Es el camino maacutes utilizado para la produccioacuten de butadieno en paiacuteses como Estados Unidos
Oeste de Europa y Japoacuten representando aproximadamente el 91 del suministro mundial de
butadieno En este caso no existe una materia prima principal sino que tanto etano propano
butano nafta y gasoacuteleo se alimentan a una pirolisis (craqueo al vapor) de horno donde
combinado con vapor de agua alcanza temperaturas de entre aproximadamente 790-830ordmC
En este rango de temperatura los enlaces C-C y C-H se rompen produciendo hidrogeno
etileno propileno butadieno benceno tolueno y otros co-productos olefiacutenicos importantes
Despueacutes de la pirolisis se enfriacutea el resto de la planta separa los productos deseados en
distintos cortes de acuerdo a las especificaciones impuestas a cada uno de ellos A
continuacioacuten se aprecia en la Figura 6 un ejemplo de los distintos rendimientos de butadieno
respecto a distintas materias primas
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas [3]
La corriente de producto de butadieno crudo final alcanza concentraciones de hasta
aproximadamente un 75 en peso (esta concentracioacuten puede variar en funcioacuten de reciclo en el
sistema)
Como se puede distinguir en la liacutenea roja de la Figura 7 el butadieno experimenta una serie de
tratamientos posterior a su piroacutelisis como enfriamiento compresioacuten lavado secado y
finalmente un proceso de extraccioacuten para obtener la corriente final de butadieno
9
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking [3]
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
Esta deshidrogenacioacuten constituye parte principal del proceso y se constituye en dos etapas de
trabajo primero convirtiendo n-butano a n-butenos y luego a butadieno (etapas
endoteacutermicas) Estas zonas presentan ademaacutes de los reactores principales (trabajando
aproximadamente en rangos de P absoluta de 12-15 cmHg y T de 600-680ordmC) dos reactores
instalados de forma continua Se pueden apreciar en la Figura 8 el segundo reactor se
utilizariacutea para la regeneracioacuten de catalizador mientras que el tercer reactor es el encargado de
purgar antes de que empiece la regeneracioacuten (de esta manera se comporta como un sistema
continua de produccioacuten)
10
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno [3]
El tiempo de residencia de la alimentacioacuten en el reactor es de aproximadamente de 5 a 15
minutos Ademaacutes a la misma vez que va disminuyendo la temperatura en el lecho de
catalizador se va formando una capa de coque en el lecho Para hacer frente al problema del
coque este proceso posee un sistema de regeneracioacuten que emplea aire precalentado para
quemar esta deposicioacuten (a la misma vez aporta el calor necesario para alcanzar la temperatura
deseada) El efluente del reactor se somete a una serie de tratamientos primer lugar la
corriente se enfriacutea en una torre de enfriamiento posteriormente se comprime antes de la
alimentacioacuten al sistema de absorcioacutenstripper En este complejo de absorcioacuten se consigue un
concentrado de C4 para el sistema final de extraccioacuten de butadieno obteniendo una corriente
de producto de butadieno de gran pureza Esta ruta de proceso se trabaja a un rango de
conversioacuten de aproximadamente un 30-40 y un rendimiento total de 60-65
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
Es un sistema que ha reemplazado a muchos procesos antiguos de produccioacuten de butadieno
debido al desarrollo de varios procesos y sistemas de catalizadores de oxideshidrogenacioacuten de
cualquier n-butano o de n-buteno El 1-buteno es mucho maacutes reactivo y requiere condiciones
de operacioacuten menos severas que la de n-butano siendo el empleo de n-butano menos
eficiente Como recomendaciones en la oxideshidrogenacioacuten una mezcla de n-butenos aire y
vapor se hace pasar sobre un lecho de catalizador a baja presioacuten y aproximadamente de 500-
600ordmC El calor de la reaccioacuten exoteacutermica puede ser eliminado indirectamente mediante la
circulacioacuten de sal fundida o por un meacutetodo alternativo que consiste en antildeadir vapor de agua a
la alimentacioacuten (actuando como disipador de calor) En el proceso Oxo-D como se observa en
11
la Figura 9 una mezcla de aire vapor y 1-buteno se hace pasar sobre el catalizador de
deshidrogenacioacuten en un proceso continuo
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos [3]
Como parte final del proceso el efluente del reactor se enfriacutea y como en el sistema anterior
los componentes C4 se recuperan en un absorbedordesgasificadorstripper El aceite como
disolvente fluye desde los fondos del stripper y regresa al absorbedor aunque antes pasa
traveacutes de una zona de purificacioacuten de disolvente Para obtener la corriente de butadieno final
es necesario eliminar la cantidad de disolvente (aceite) por medio de un stripper y un sistema
de purificacioacuten para obtener la corriente final El rango de rendimiento y selectividad puede
variar entre 70-90 lo que hace innecesario recuperar o reciclar material de alimentacioacuten (la
formacioacuten de C02 como reaccioacuten secundaria puede producir la peacuterdida de rendimiento del
proceso)
12
3 Descripcioacuten del proceso
En el estudio de este proyecto y tras analizar cada una de las opciones de trabajo para la
deshidrogenacioacuten de n-butanos se ha decidido seguir un sistema de deshidrogenacioacuten en dos
etapas [13 67]
1) Deshidrogenacioacuten no oxidativa de los n-butanos para obtener n-butenos
2) Deshidrogenacioacuten oxidativa (oxideshidrogenacioacuten) de los n-butenos para producir
butadieno
Como ya se ha dicho con anterioridad existen tres caminos de produccioacuten de butadieno sin
embargo se considera principalmente debido a la necesidad de eficiencia implantar dos fases
distintas de deshidrogenacioacuten La primera fase que corresponde al proceso Catadiene que
consiste en una deshidrogenacioacuten no oxidativa del n-butano mientras que se complementa
con una zona de oxideshidrogenacioacuten de los n-butenos Se ha decidido tomar este sistema
debido a las siguientes razones
o Mayor conversioacuten y selectividad global gracias a la oxideshidrogenacioacuten el aporte de
oxiacutegeno permite eliminar parte de hidrogeno en forma de agua (rendimiento aprox de
65 y una selectividad de 93)
o Oxiacutegeno junto al vapor alimentado disminuye la coquizacioacuten del catalizador
o Bajo consumo de vapor respecto a la deshidrogenacioacuten no oxidativa
o Adicioacuten de oxiacutegeno en la deshidrogenacioacuten de n-butanos genera una gran cantidad de
productos indeseados debido a que a las altas temperaturas requeridas favorece la
reaccioacuten del oxiacutegeno
o Butenos son muchos maacutes reactivos de ahiacute que necesiten condiciones de operacioacuten
menos severas por lo que no es praacutectico la oxideshidrogenacioacuten del n-butano
Este sistema de deshidrogenacioacuten se dividiraacute en tres fases de procesamiento como se observa
en el diagrama de bloques de la Figura 10
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno (6)
13
En primer lugar este medio de produccioacuten parte de una corriente de n-butanos isobutano
propano y un porcentaje de hidrocarburos (C5) la cual necesita ser tratada para obtener una
corriente pura de n-butanos Este sistema presenta un tren de separacioacuten en primer lugar una
columna de destilacioacuten que lo separe en una corriente de n-butano y posteriormente
aprovechar la corriente de isobutanos con un reactor de isomerizacioacuten para generar maacutes n-
butano o como producto final para otros procesos Maacutes adelante en el proyecto se decidiraacute
que se haraacute con el isobutano
Una vez obtenida la corriente de n-butano se alimenta a la zona de deshidrogenacioacuten
encargada de deshidrogenizar para conseguir el butadieno Como ya se ha enunciado se
instalaraacuten dos zonas de deshidrogenacioacuten con condiciones de operacioacuten diferentes La
deshidrogenacioacuten no oxidativa de n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica trabajando
a un rango de temperatura de 600-700ordmC y una presioacuten de 05-8 bar (3) La reaccioacuten principal
en el primer reactor seriacutea la formacioacuten de buteno a traveacutes de la peacuterdida de hidroacutegeno de n-
butano para dar 1-buteno
C4H10 C4H8 (1-buteno) + H2
Para aportar el calor necesario de reaccioacuten se puede quemar in-situ el hidroacutegeno liberado
antildeadiendo una corriente de oxiacutegeno (aire) Suele ser necesario antildeadir hidroacutegeno adicional
externamente para satisfacer totalmente el calor de reaccioacuten
H2 + O2 H2O
Estas reacciones se catalizan selectivamente por catalizadores especializados a este sistema
Los catalizadores se pueden separar en dos partes fundamentales como soporte y composicioacuten
activa En primer lugar el soporte consiste generalmente en un oacutexido resistente al calor u
oacutexido mixto Los oacutexidos empleados preferentemente son los oacutexidos de aluminio oacutexido de
cromo o dioacutexido de silicio La composicioacuten activa de los catalizadores de deshidrogenacioacuten se
comprende generalmente en uno o maacutes metales del grupo de transicioacuten VII de la tabla
perioacutedica preferentemente platino yo paladio En este caso para este reactor se utiliza el
catalizador maacutes comuacuten que es una mezcla de oacutexido de aluminio y oacutexido de cromo Los
catalizadores de deshidrogenacioacuten en su funcioacuten se degeneran con la necesidad de montar un
reactor en paralelo que permita su regeneracioacuten de forma continua Ademaacutes como se observa
14
en el diagrama de bloques de la figura 10 es necesario la aplicacioacuten a estas zonas de
deshidrogenacioacuten de aire a traveacutes del lecho catalizador
Una vez obtenida la corriente de n-butenos se alimenta al segundo reactor con la diferencia
que necesita la alimentacioacuten de oxiacutegeno para la deshidrogenacioacuten oxidativa del 1-buteno La
adiccioacuten de oxigeno permite mejorar la conversioacuten y la selectividad de la deshidrogenacioacuten de
n-buteno eliminando el hidrogeno (7)
2 C4H8 + O2 2 C4H6 + 2 H2O (Reaccioacuten principal)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O (Reaccioacuten secundaria)
Como al igual que la deshidrogenacioacuten no oxidativa para la deshidrogenacioacuten del 1-buteno se
necesita un catalizador preferentemente un sistema de oacutexido multimetaacutelico Mo-Bi-Fe-O En
esta reaccioacuten aparece la formacioacuten de CO2 como reaccioacuten secundaria indeseada a partir del 1-
buteno Una vez obtenida la corriente final de butadieno n-butano no convertido y los demaacutes
co-productos se llevan a un tren de separacioacuten que consta de una columna de destilacioacuten
extractiva con un solvente En primer lugar la columna de destilacioacuten se separa el resto de
hidrocarburos (n-butanos sin reaccionar) por cabeza mientras que el 13-butadieno sale por
fondos Los fondos presentan gran cantidad de disolvente de ahiacute que utilicen una columna de
recuperacioacuten de disolvente para obtener el butadieno final
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
2
2 Introduccioacuten
El butadieno (se habla de 13 butadieno ya que conforma el hidrocarburo C4 insaturado maacutes
importante econoacutemicamente) es un producto importante de la industria petroquiacutemica Su
sencilla estructura quiacutemica (figura 1) combinada con su bajo peso molecular y alta reactividad
quiacutemica hace que sea un elemento muy uacutetil en la siacutentesis de otros materiales [1]
Figura 1 Foacutermula molecular del 13 butadieno
Antes del desarrollo de la industria de butadieno el butadieno aparece en 1863 cuando el
quiacutemico franceacutes E Caventou aisloacute un hidrocarburo hasta ahora desconocido con la piroacutelisis de
alcohol amiacutelico Este hidrocarburo se identificoacute como butadieno en 1886 despueacutes de que
Henry Edward Amstronglo lo aislara de unos de los productos de la piroacutelisis de petroacuteleo En
1910 el quiacutemico ruso Sergei Lebedev polimerizoacute el butadieno obteniendo un material con
propiedades similares al caucho Este poliacutemero no fue lo suficiente adecuado para reemplazar
el caucho natural en muchas aplicaciones sobre todo en los neumaacuteticos del automoacutevil A partir
de ahiacute la industria de butadieno se centroacute en las necesidades de la Segunda Guerra Mundial
ya que las naciones combatientes como Alemania y Estados Unidos apostaron por disminuir la
dependencia de las industrias del caucho controladas por el Gobierno Britaacutenico [1]
Hasta la actualidad la produccioacuten mundial de butadieno ha estado ligada a la demanda de
manufacturacioacuten de neumaacuteticos Como estudios de 2015 reflejan por primera vez desde 2000
la produccioacuten europea de caucho sinteacutetico a partir de butadieno superoacute la demanda como
resultado de la contraccioacuten de la industria automoviliacutestica Este mismo estudio cifra que la
demanda europea fue de 2459778 toneladas mientras que la produccioacuten se situoacute en
2246137 toneladas Sin embargo observando el futuro de este producto se espera invertir la
situacioacuten superando la produccioacuten a la demanda por 162953 toneladas Ante esta situacioacuten las
3
empresas se mueven hacia un mercado de exportacioacuten con el objetivo de conseguir la
produccioacuten deseada Alguacuten ejemplo apreciable es la expansioacuten de la empresa alemana
LyondellBsell con su unidad de extraccioacuten en Wesseling Alemania y los planes de Versalis para
construir una nueva unidad de 70000 toneladasantildeo en su planta de Dunkerque Francia [2]
21 Caracteriacutesticas de butadieno
Este compuesto presenta propiedades quiacutemicas y fiacutesicas como gas inflamable incoloro con un
olor suave y aromaacutetico ademaacutes de ser altamente reactivo Es soluble en alcohol y eacuteter
insoluble en agua y se polimeriza faacutecilmente (en particular si el oxiacutegeno estaacute presente) Debido
a sus dobles enlaces conjugados pueden tomar parte en numerosas reacciones que incluyen
12- y 14- adicionales con siacute mismo (polimerizacioacuten) y de otros reactivos la dimerizacioacuten lineal
y de trimerizacioacuten y formacioacuten de anillo En la figura 2 siguiente muestra una tabla con las
propiedades principales de este compuesto
Figura 2 Propiedades de butadieno [3]
El 13-butadieno el dieno conjugado maacutes simple ha sido sometido a numerosos estudios para
comprender todas sus propiedades fiacutesicas y quiacutemicas La unioacuten de los dobles enlaces hace que
sea 15kJmol maacutes estable termodinaacutemicamente que una moleacutecula con dos enlaces simples La
4
longitud del doble enlace en 13-butadieno es 0134 nm y los enlaces simples 0148 Ya que los
enlaces simples de carbono-carbono son normalmente de 0154 nm esto indica el grado de
doble enlace en la mitad de enlace simple [4]
22 Aplicaciones
La produccioacuten de butadieno mundial estaacute dominada por las fracciones de craqueo por vapor
de C4 convirtieacutendose en la ruta ideal para maacutes del 95 de la produccioacuten de butadieno En la
Figura 3 se puede distinguir la situacioacuten mundial de butadieno en 1998 y destacar por
ejemplo que en el caso de Europa Occidental la materia especiacutefica de craqueo se centra en la
nafta El motivo de este dominio son los altos rendimientos conseguidos a traveacutes de este
medio sin embargo en la actualidad su aplicacioacuten ha disminuido ligeramente debido al
desarrollo de nuevas teacutecnicas de deshidrogenacioacuten oxidativa como se veraacute en los apartados
siguientes
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 [1]
El butadieno se usa principalmente como monoacutemero en la fabricacioacuten de cauchos o
elastoacutemeros sinteacuteticos como se aprecia en la Figura 4 suponiendo aproximadamente el 70
del uso de butadieno Entre los poliacutemeros destacados de esta aplicacioacuten son Estireno-
butadieno (SBR) caucho de polibutadieno (PBR) policloropreno (Neopreno) y caucho de
nitrilo (NBR) Ademaacutes como monoacutemero es importante como intermediario en la produccioacuten de
algunos productos quiacutemicos (gracias a su alta reactividad quiacutemica) Los cauchos anteriormente
mencionados se distinguiriacutean de la siguiente forma [4]
Caucho estireno-butadieno (SBR) se obtiene por la polimerizacioacuten de estireno y
butadieno constituyendo la mayor aplicacioacuten de butadieno El uso principal de SBR
5
estaacute en neumaacuteticos y en menor cantidad en adhesivos y selladores suelas de zapatos
revestimientos de alambre y cable
Polibutadieno (PB) producido por la polimerizacioacuten de butadieno es el segundo
monoacutemero maacutes usado Ademaacutes de coacutemo materia prima para neumaacuteticos el PB se
utiliza como producto intermedio en la produccioacuten de acrilonitrilo-butadieno-estireno
(ABS) y modificadores de impacto
Laacutetex Estireno-butadieno (SBL) se trata de una dispersioacuten acuosa estable que contiene
discretas partiacuteculas de poliacutemero de aproximadamente 005 a 5 microacutemetros de
diaacutemetro Entre sus aplicaciones consta la goma espuma (cojines esponjas) adhesivos
(pavimentos azulejos) selladores y revestimientos de papel
Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno (ABS) resinas ABS son mezclas de dos fases Se pueden
producir por polimerizacioacuten donde los homopoliacutemeros de polibutadieno se injertan en
un copoliacutemero de estierno-acronitrilo Estas resinas posee una amplia gama de
aplicaciones que incluyen de piezas de automoacuteviles teleacutefonos maacutequinas de oficina tales
como ordenadores y electrodomeacutesticos
Caucho de nitrilo (NBR) este caucho es producido en menor cantidad que los anteriores
y se obtiene a partir de la copolimerizacioacuten de acrilonitrilo y butadieno Este material se
utiliza en productos como mangueras tuberiacuteas de combustible adhesivos guantes y
calzado
Copoliacutemero de bloques de Estireno-butadieno (SBS Y SEBS) sus aplicaciones son incluidas
en aditivos para aceites lubricantes adhesivos aplicaciones de automocioacuten alimentos y
otro tipo de envases dispositivos meacutedicos
Metacrilato de metilo-butadieno-estireno (MMBS) su produccioacuten es maacutes escasa ya que
se dedica como modificador de impacto en piezas de automoacuteviles botellas y envases de
alimentos
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU 2000 (a la derecha) [45]
6
Ademaacutes de los poliacutemeros como se mencionoacute anteriormente el butadieno constituye distintos
intermediarios quiacutemicos En la figura 5 puede apreciarse los tipos de poliacutemeros enumerados y
los compuestos quiacutemicos principales como adiponitrilo cloropropano y sus posteriores
aplicaciones
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno [4]
23 Potencial de exposicioacuten
El butadieno forma parte en la produccioacuten de productos industriales y de consumo sin
embargo sobre la base de estos usos los individuos pueden estar expuestos de diferentes
formas [5]
Exposicioacuten Diaria es la exposicioacuten que afecta a los individuos que trabajan en
instalaciones de butadieno y plantas de productos que emplean este compuesto En
estas instalaciones se pueden enfrentar a las exposiciones maacutes comunes de butadieno
por fallo mecaacutenico de un sello de la bomba el paquete de la vaacutelvula conexioacuten de la
tuberiacutea o junta Sin embargo los responsables emplean sistemas de seguridad
restrictivos regulados y controlados por permisos y normas
7
Exposicioacuten del consumidor de producto conteniente en butadieno los consumidores
estaacuten expuestos a niveles bajos o no detectables de butadieno (butadieno no se vende
para uso de consumidores) a traveacutes de la ingesta de alimentos que estaban
almacenados en envases contenedores de butadieno
Emisiones al medio ambiente butadieno se libera en el medio ambiente tanto de
fuentes industriales y no industriales Ante cualquier emisioacuten el sistema de control se
centra en evitar cualquier probabilidad de incendio y controlar los derrames
reduciendo la contaminacioacuten de aire suelo y aguas superficiales o subterraacuteneas Su
alta presioacuten de vapor y la insolubilidad de agua hace que se acumule en el aire creando
un riesgo en la inhalacioacuten (de ahiacute es necesario proteccioacuten de las viacuteas respiratoria ante
cualquier derrame o fuga)
Riesgo para la salud
Contacto con los ojos butadieno liacutequido puede causar la congelacioacuten si entra en
contacto con los ojos y se evapora raacutepidamente Los vapores de butadieno pueden
causar irritacioacuten en los ojos causando incomodidad y enrojecimiento
Contacto con la piel butadieno no es irritante para la piel aunque el butadieno liacutequido
puede causar congelacioacuten si entra en contacto con la piel
Ingestioacuten es poco probable ya que el material es un gas a temperatura y presioacuten
ambiente Aunque el contacto con butadieno liacutequido podriacutea dar lugar a la congelacioacuten
de los labios
Inhalacioacuten zonas cerradas o poco ventilados los vapores de butadieno se pueden
acumular y causar inconsciencia y la muerte Las exposiciones excesivas pueden causar
irritacioacuten en el sistema respiratorio superior (nariz y garganta) o efectos en el sistema
nervioso central Los siacutentomas pueden incluir efectos anesteacutesicos o narcoacuteticos como
mareo o somnolencia
Exposicioacuten repetida exposiciones excesivas repetidas se han reportado efectos en los
rintildeones el hiacutegado los ovarios las viacuteas respiratorias y los testiacuteculos La exposicioacuten
excesiva puede causar dantildeo a los oacuterganos hematopoyeacuteticos (medula oacutesea y bazo)
Carcinogenecidad el butadieno aparece como un carcinoacutegeno humano por la Agencia
Internacional para la Investigacioacuten sobre el Caacutencer
24 Procesos comerciales de butadieno
La produccioacuten de butadieno desde su descubrimiento a traveacutes de la piroacutelisis de materiales
orgaacutenicos ha sido desarrollada a la misma vez que la industria petroquiacutemica En primer lugar
8
el butadieno era generado a partir del acetileno asiacute como del etanol No obstante la
importancia de estos procesos ha disminuido debido a la creciente produccioacuten de butadieno a
partir del petroacuteleo Se han desarrollado tres sistemas de produccioacuten a traveacutes de esta fuente
[1 24]
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
Es el camino maacutes utilizado para la produccioacuten de butadieno en paiacuteses como Estados Unidos
Oeste de Europa y Japoacuten representando aproximadamente el 91 del suministro mundial de
butadieno En este caso no existe una materia prima principal sino que tanto etano propano
butano nafta y gasoacuteleo se alimentan a una pirolisis (craqueo al vapor) de horno donde
combinado con vapor de agua alcanza temperaturas de entre aproximadamente 790-830ordmC
En este rango de temperatura los enlaces C-C y C-H se rompen produciendo hidrogeno
etileno propileno butadieno benceno tolueno y otros co-productos olefiacutenicos importantes
Despueacutes de la pirolisis se enfriacutea el resto de la planta separa los productos deseados en
distintos cortes de acuerdo a las especificaciones impuestas a cada uno de ellos A
continuacioacuten se aprecia en la Figura 6 un ejemplo de los distintos rendimientos de butadieno
respecto a distintas materias primas
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas [3]
La corriente de producto de butadieno crudo final alcanza concentraciones de hasta
aproximadamente un 75 en peso (esta concentracioacuten puede variar en funcioacuten de reciclo en el
sistema)
Como se puede distinguir en la liacutenea roja de la Figura 7 el butadieno experimenta una serie de
tratamientos posterior a su piroacutelisis como enfriamiento compresioacuten lavado secado y
finalmente un proceso de extraccioacuten para obtener la corriente final de butadieno
9
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking [3]
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
Esta deshidrogenacioacuten constituye parte principal del proceso y se constituye en dos etapas de
trabajo primero convirtiendo n-butano a n-butenos y luego a butadieno (etapas
endoteacutermicas) Estas zonas presentan ademaacutes de los reactores principales (trabajando
aproximadamente en rangos de P absoluta de 12-15 cmHg y T de 600-680ordmC) dos reactores
instalados de forma continua Se pueden apreciar en la Figura 8 el segundo reactor se
utilizariacutea para la regeneracioacuten de catalizador mientras que el tercer reactor es el encargado de
purgar antes de que empiece la regeneracioacuten (de esta manera se comporta como un sistema
continua de produccioacuten)
10
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno [3]
El tiempo de residencia de la alimentacioacuten en el reactor es de aproximadamente de 5 a 15
minutos Ademaacutes a la misma vez que va disminuyendo la temperatura en el lecho de
catalizador se va formando una capa de coque en el lecho Para hacer frente al problema del
coque este proceso posee un sistema de regeneracioacuten que emplea aire precalentado para
quemar esta deposicioacuten (a la misma vez aporta el calor necesario para alcanzar la temperatura
deseada) El efluente del reactor se somete a una serie de tratamientos primer lugar la
corriente se enfriacutea en una torre de enfriamiento posteriormente se comprime antes de la
alimentacioacuten al sistema de absorcioacutenstripper En este complejo de absorcioacuten se consigue un
concentrado de C4 para el sistema final de extraccioacuten de butadieno obteniendo una corriente
de producto de butadieno de gran pureza Esta ruta de proceso se trabaja a un rango de
conversioacuten de aproximadamente un 30-40 y un rendimiento total de 60-65
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
Es un sistema que ha reemplazado a muchos procesos antiguos de produccioacuten de butadieno
debido al desarrollo de varios procesos y sistemas de catalizadores de oxideshidrogenacioacuten de
cualquier n-butano o de n-buteno El 1-buteno es mucho maacutes reactivo y requiere condiciones
de operacioacuten menos severas que la de n-butano siendo el empleo de n-butano menos
eficiente Como recomendaciones en la oxideshidrogenacioacuten una mezcla de n-butenos aire y
vapor se hace pasar sobre un lecho de catalizador a baja presioacuten y aproximadamente de 500-
600ordmC El calor de la reaccioacuten exoteacutermica puede ser eliminado indirectamente mediante la
circulacioacuten de sal fundida o por un meacutetodo alternativo que consiste en antildeadir vapor de agua a
la alimentacioacuten (actuando como disipador de calor) En el proceso Oxo-D como se observa en
11
la Figura 9 una mezcla de aire vapor y 1-buteno se hace pasar sobre el catalizador de
deshidrogenacioacuten en un proceso continuo
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos [3]
Como parte final del proceso el efluente del reactor se enfriacutea y como en el sistema anterior
los componentes C4 se recuperan en un absorbedordesgasificadorstripper El aceite como
disolvente fluye desde los fondos del stripper y regresa al absorbedor aunque antes pasa
traveacutes de una zona de purificacioacuten de disolvente Para obtener la corriente de butadieno final
es necesario eliminar la cantidad de disolvente (aceite) por medio de un stripper y un sistema
de purificacioacuten para obtener la corriente final El rango de rendimiento y selectividad puede
variar entre 70-90 lo que hace innecesario recuperar o reciclar material de alimentacioacuten (la
formacioacuten de C02 como reaccioacuten secundaria puede producir la peacuterdida de rendimiento del
proceso)
12
3 Descripcioacuten del proceso
En el estudio de este proyecto y tras analizar cada una de las opciones de trabajo para la
deshidrogenacioacuten de n-butanos se ha decidido seguir un sistema de deshidrogenacioacuten en dos
etapas [13 67]
1) Deshidrogenacioacuten no oxidativa de los n-butanos para obtener n-butenos
2) Deshidrogenacioacuten oxidativa (oxideshidrogenacioacuten) de los n-butenos para producir
butadieno
Como ya se ha dicho con anterioridad existen tres caminos de produccioacuten de butadieno sin
embargo se considera principalmente debido a la necesidad de eficiencia implantar dos fases
distintas de deshidrogenacioacuten La primera fase que corresponde al proceso Catadiene que
consiste en una deshidrogenacioacuten no oxidativa del n-butano mientras que se complementa
con una zona de oxideshidrogenacioacuten de los n-butenos Se ha decidido tomar este sistema
debido a las siguientes razones
o Mayor conversioacuten y selectividad global gracias a la oxideshidrogenacioacuten el aporte de
oxiacutegeno permite eliminar parte de hidrogeno en forma de agua (rendimiento aprox de
65 y una selectividad de 93)
o Oxiacutegeno junto al vapor alimentado disminuye la coquizacioacuten del catalizador
o Bajo consumo de vapor respecto a la deshidrogenacioacuten no oxidativa
o Adicioacuten de oxiacutegeno en la deshidrogenacioacuten de n-butanos genera una gran cantidad de
productos indeseados debido a que a las altas temperaturas requeridas favorece la
reaccioacuten del oxiacutegeno
o Butenos son muchos maacutes reactivos de ahiacute que necesiten condiciones de operacioacuten
menos severas por lo que no es praacutectico la oxideshidrogenacioacuten del n-butano
Este sistema de deshidrogenacioacuten se dividiraacute en tres fases de procesamiento como se observa
en el diagrama de bloques de la Figura 10
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno (6)
13
En primer lugar este medio de produccioacuten parte de una corriente de n-butanos isobutano
propano y un porcentaje de hidrocarburos (C5) la cual necesita ser tratada para obtener una
corriente pura de n-butanos Este sistema presenta un tren de separacioacuten en primer lugar una
columna de destilacioacuten que lo separe en una corriente de n-butano y posteriormente
aprovechar la corriente de isobutanos con un reactor de isomerizacioacuten para generar maacutes n-
butano o como producto final para otros procesos Maacutes adelante en el proyecto se decidiraacute
que se haraacute con el isobutano
Una vez obtenida la corriente de n-butano se alimenta a la zona de deshidrogenacioacuten
encargada de deshidrogenizar para conseguir el butadieno Como ya se ha enunciado se
instalaraacuten dos zonas de deshidrogenacioacuten con condiciones de operacioacuten diferentes La
deshidrogenacioacuten no oxidativa de n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica trabajando
a un rango de temperatura de 600-700ordmC y una presioacuten de 05-8 bar (3) La reaccioacuten principal
en el primer reactor seriacutea la formacioacuten de buteno a traveacutes de la peacuterdida de hidroacutegeno de n-
butano para dar 1-buteno
C4H10 C4H8 (1-buteno) + H2
Para aportar el calor necesario de reaccioacuten se puede quemar in-situ el hidroacutegeno liberado
antildeadiendo una corriente de oxiacutegeno (aire) Suele ser necesario antildeadir hidroacutegeno adicional
externamente para satisfacer totalmente el calor de reaccioacuten
H2 + O2 H2O
Estas reacciones se catalizan selectivamente por catalizadores especializados a este sistema
Los catalizadores se pueden separar en dos partes fundamentales como soporte y composicioacuten
activa En primer lugar el soporte consiste generalmente en un oacutexido resistente al calor u
oacutexido mixto Los oacutexidos empleados preferentemente son los oacutexidos de aluminio oacutexido de
cromo o dioacutexido de silicio La composicioacuten activa de los catalizadores de deshidrogenacioacuten se
comprende generalmente en uno o maacutes metales del grupo de transicioacuten VII de la tabla
perioacutedica preferentemente platino yo paladio En este caso para este reactor se utiliza el
catalizador maacutes comuacuten que es una mezcla de oacutexido de aluminio y oacutexido de cromo Los
catalizadores de deshidrogenacioacuten en su funcioacuten se degeneran con la necesidad de montar un
reactor en paralelo que permita su regeneracioacuten de forma continua Ademaacutes como se observa
14
en el diagrama de bloques de la figura 10 es necesario la aplicacioacuten a estas zonas de
deshidrogenacioacuten de aire a traveacutes del lecho catalizador
Una vez obtenida la corriente de n-butenos se alimenta al segundo reactor con la diferencia
que necesita la alimentacioacuten de oxiacutegeno para la deshidrogenacioacuten oxidativa del 1-buteno La
adiccioacuten de oxigeno permite mejorar la conversioacuten y la selectividad de la deshidrogenacioacuten de
n-buteno eliminando el hidrogeno (7)
2 C4H8 + O2 2 C4H6 + 2 H2O (Reaccioacuten principal)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O (Reaccioacuten secundaria)
Como al igual que la deshidrogenacioacuten no oxidativa para la deshidrogenacioacuten del 1-buteno se
necesita un catalizador preferentemente un sistema de oacutexido multimetaacutelico Mo-Bi-Fe-O En
esta reaccioacuten aparece la formacioacuten de CO2 como reaccioacuten secundaria indeseada a partir del 1-
buteno Una vez obtenida la corriente final de butadieno n-butano no convertido y los demaacutes
co-productos se llevan a un tren de separacioacuten que consta de una columna de destilacioacuten
extractiva con un solvente En primer lugar la columna de destilacioacuten se separa el resto de
hidrocarburos (n-butanos sin reaccionar) por cabeza mientras que el 13-butadieno sale por
fondos Los fondos presentan gran cantidad de disolvente de ahiacute que utilicen una columna de
recuperacioacuten de disolvente para obtener el butadieno final
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
3
empresas se mueven hacia un mercado de exportacioacuten con el objetivo de conseguir la
produccioacuten deseada Alguacuten ejemplo apreciable es la expansioacuten de la empresa alemana
LyondellBsell con su unidad de extraccioacuten en Wesseling Alemania y los planes de Versalis para
construir una nueva unidad de 70000 toneladasantildeo en su planta de Dunkerque Francia [2]
21 Caracteriacutesticas de butadieno
Este compuesto presenta propiedades quiacutemicas y fiacutesicas como gas inflamable incoloro con un
olor suave y aromaacutetico ademaacutes de ser altamente reactivo Es soluble en alcohol y eacuteter
insoluble en agua y se polimeriza faacutecilmente (en particular si el oxiacutegeno estaacute presente) Debido
a sus dobles enlaces conjugados pueden tomar parte en numerosas reacciones que incluyen
12- y 14- adicionales con siacute mismo (polimerizacioacuten) y de otros reactivos la dimerizacioacuten lineal
y de trimerizacioacuten y formacioacuten de anillo En la figura 2 siguiente muestra una tabla con las
propiedades principales de este compuesto
Figura 2 Propiedades de butadieno [3]
El 13-butadieno el dieno conjugado maacutes simple ha sido sometido a numerosos estudios para
comprender todas sus propiedades fiacutesicas y quiacutemicas La unioacuten de los dobles enlaces hace que
sea 15kJmol maacutes estable termodinaacutemicamente que una moleacutecula con dos enlaces simples La
4
longitud del doble enlace en 13-butadieno es 0134 nm y los enlaces simples 0148 Ya que los
enlaces simples de carbono-carbono son normalmente de 0154 nm esto indica el grado de
doble enlace en la mitad de enlace simple [4]
22 Aplicaciones
La produccioacuten de butadieno mundial estaacute dominada por las fracciones de craqueo por vapor
de C4 convirtieacutendose en la ruta ideal para maacutes del 95 de la produccioacuten de butadieno En la
Figura 3 se puede distinguir la situacioacuten mundial de butadieno en 1998 y destacar por
ejemplo que en el caso de Europa Occidental la materia especiacutefica de craqueo se centra en la
nafta El motivo de este dominio son los altos rendimientos conseguidos a traveacutes de este
medio sin embargo en la actualidad su aplicacioacuten ha disminuido ligeramente debido al
desarrollo de nuevas teacutecnicas de deshidrogenacioacuten oxidativa como se veraacute en los apartados
siguientes
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 [1]
El butadieno se usa principalmente como monoacutemero en la fabricacioacuten de cauchos o
elastoacutemeros sinteacuteticos como se aprecia en la Figura 4 suponiendo aproximadamente el 70
del uso de butadieno Entre los poliacutemeros destacados de esta aplicacioacuten son Estireno-
butadieno (SBR) caucho de polibutadieno (PBR) policloropreno (Neopreno) y caucho de
nitrilo (NBR) Ademaacutes como monoacutemero es importante como intermediario en la produccioacuten de
algunos productos quiacutemicos (gracias a su alta reactividad quiacutemica) Los cauchos anteriormente
mencionados se distinguiriacutean de la siguiente forma [4]
Caucho estireno-butadieno (SBR) se obtiene por la polimerizacioacuten de estireno y
butadieno constituyendo la mayor aplicacioacuten de butadieno El uso principal de SBR
5
estaacute en neumaacuteticos y en menor cantidad en adhesivos y selladores suelas de zapatos
revestimientos de alambre y cable
Polibutadieno (PB) producido por la polimerizacioacuten de butadieno es el segundo
monoacutemero maacutes usado Ademaacutes de coacutemo materia prima para neumaacuteticos el PB se
utiliza como producto intermedio en la produccioacuten de acrilonitrilo-butadieno-estireno
(ABS) y modificadores de impacto
Laacutetex Estireno-butadieno (SBL) se trata de una dispersioacuten acuosa estable que contiene
discretas partiacuteculas de poliacutemero de aproximadamente 005 a 5 microacutemetros de
diaacutemetro Entre sus aplicaciones consta la goma espuma (cojines esponjas) adhesivos
(pavimentos azulejos) selladores y revestimientos de papel
Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno (ABS) resinas ABS son mezclas de dos fases Se pueden
producir por polimerizacioacuten donde los homopoliacutemeros de polibutadieno se injertan en
un copoliacutemero de estierno-acronitrilo Estas resinas posee una amplia gama de
aplicaciones que incluyen de piezas de automoacuteviles teleacutefonos maacutequinas de oficina tales
como ordenadores y electrodomeacutesticos
Caucho de nitrilo (NBR) este caucho es producido en menor cantidad que los anteriores
y se obtiene a partir de la copolimerizacioacuten de acrilonitrilo y butadieno Este material se
utiliza en productos como mangueras tuberiacuteas de combustible adhesivos guantes y
calzado
Copoliacutemero de bloques de Estireno-butadieno (SBS Y SEBS) sus aplicaciones son incluidas
en aditivos para aceites lubricantes adhesivos aplicaciones de automocioacuten alimentos y
otro tipo de envases dispositivos meacutedicos
Metacrilato de metilo-butadieno-estireno (MMBS) su produccioacuten es maacutes escasa ya que
se dedica como modificador de impacto en piezas de automoacuteviles botellas y envases de
alimentos
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU 2000 (a la derecha) [45]
6
Ademaacutes de los poliacutemeros como se mencionoacute anteriormente el butadieno constituye distintos
intermediarios quiacutemicos En la figura 5 puede apreciarse los tipos de poliacutemeros enumerados y
los compuestos quiacutemicos principales como adiponitrilo cloropropano y sus posteriores
aplicaciones
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno [4]
23 Potencial de exposicioacuten
El butadieno forma parte en la produccioacuten de productos industriales y de consumo sin
embargo sobre la base de estos usos los individuos pueden estar expuestos de diferentes
formas [5]
Exposicioacuten Diaria es la exposicioacuten que afecta a los individuos que trabajan en
instalaciones de butadieno y plantas de productos que emplean este compuesto En
estas instalaciones se pueden enfrentar a las exposiciones maacutes comunes de butadieno
por fallo mecaacutenico de un sello de la bomba el paquete de la vaacutelvula conexioacuten de la
tuberiacutea o junta Sin embargo los responsables emplean sistemas de seguridad
restrictivos regulados y controlados por permisos y normas
7
Exposicioacuten del consumidor de producto conteniente en butadieno los consumidores
estaacuten expuestos a niveles bajos o no detectables de butadieno (butadieno no se vende
para uso de consumidores) a traveacutes de la ingesta de alimentos que estaban
almacenados en envases contenedores de butadieno
Emisiones al medio ambiente butadieno se libera en el medio ambiente tanto de
fuentes industriales y no industriales Ante cualquier emisioacuten el sistema de control se
centra en evitar cualquier probabilidad de incendio y controlar los derrames
reduciendo la contaminacioacuten de aire suelo y aguas superficiales o subterraacuteneas Su
alta presioacuten de vapor y la insolubilidad de agua hace que se acumule en el aire creando
un riesgo en la inhalacioacuten (de ahiacute es necesario proteccioacuten de las viacuteas respiratoria ante
cualquier derrame o fuga)
Riesgo para la salud
Contacto con los ojos butadieno liacutequido puede causar la congelacioacuten si entra en
contacto con los ojos y se evapora raacutepidamente Los vapores de butadieno pueden
causar irritacioacuten en los ojos causando incomodidad y enrojecimiento
Contacto con la piel butadieno no es irritante para la piel aunque el butadieno liacutequido
puede causar congelacioacuten si entra en contacto con la piel
Ingestioacuten es poco probable ya que el material es un gas a temperatura y presioacuten
ambiente Aunque el contacto con butadieno liacutequido podriacutea dar lugar a la congelacioacuten
de los labios
Inhalacioacuten zonas cerradas o poco ventilados los vapores de butadieno se pueden
acumular y causar inconsciencia y la muerte Las exposiciones excesivas pueden causar
irritacioacuten en el sistema respiratorio superior (nariz y garganta) o efectos en el sistema
nervioso central Los siacutentomas pueden incluir efectos anesteacutesicos o narcoacuteticos como
mareo o somnolencia
Exposicioacuten repetida exposiciones excesivas repetidas se han reportado efectos en los
rintildeones el hiacutegado los ovarios las viacuteas respiratorias y los testiacuteculos La exposicioacuten
excesiva puede causar dantildeo a los oacuterganos hematopoyeacuteticos (medula oacutesea y bazo)
Carcinogenecidad el butadieno aparece como un carcinoacutegeno humano por la Agencia
Internacional para la Investigacioacuten sobre el Caacutencer
24 Procesos comerciales de butadieno
La produccioacuten de butadieno desde su descubrimiento a traveacutes de la piroacutelisis de materiales
orgaacutenicos ha sido desarrollada a la misma vez que la industria petroquiacutemica En primer lugar
8
el butadieno era generado a partir del acetileno asiacute como del etanol No obstante la
importancia de estos procesos ha disminuido debido a la creciente produccioacuten de butadieno a
partir del petroacuteleo Se han desarrollado tres sistemas de produccioacuten a traveacutes de esta fuente
[1 24]
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
Es el camino maacutes utilizado para la produccioacuten de butadieno en paiacuteses como Estados Unidos
Oeste de Europa y Japoacuten representando aproximadamente el 91 del suministro mundial de
butadieno En este caso no existe una materia prima principal sino que tanto etano propano
butano nafta y gasoacuteleo se alimentan a una pirolisis (craqueo al vapor) de horno donde
combinado con vapor de agua alcanza temperaturas de entre aproximadamente 790-830ordmC
En este rango de temperatura los enlaces C-C y C-H se rompen produciendo hidrogeno
etileno propileno butadieno benceno tolueno y otros co-productos olefiacutenicos importantes
Despueacutes de la pirolisis se enfriacutea el resto de la planta separa los productos deseados en
distintos cortes de acuerdo a las especificaciones impuestas a cada uno de ellos A
continuacioacuten se aprecia en la Figura 6 un ejemplo de los distintos rendimientos de butadieno
respecto a distintas materias primas
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas [3]
La corriente de producto de butadieno crudo final alcanza concentraciones de hasta
aproximadamente un 75 en peso (esta concentracioacuten puede variar en funcioacuten de reciclo en el
sistema)
Como se puede distinguir en la liacutenea roja de la Figura 7 el butadieno experimenta una serie de
tratamientos posterior a su piroacutelisis como enfriamiento compresioacuten lavado secado y
finalmente un proceso de extraccioacuten para obtener la corriente final de butadieno
9
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking [3]
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
Esta deshidrogenacioacuten constituye parte principal del proceso y se constituye en dos etapas de
trabajo primero convirtiendo n-butano a n-butenos y luego a butadieno (etapas
endoteacutermicas) Estas zonas presentan ademaacutes de los reactores principales (trabajando
aproximadamente en rangos de P absoluta de 12-15 cmHg y T de 600-680ordmC) dos reactores
instalados de forma continua Se pueden apreciar en la Figura 8 el segundo reactor se
utilizariacutea para la regeneracioacuten de catalizador mientras que el tercer reactor es el encargado de
purgar antes de que empiece la regeneracioacuten (de esta manera se comporta como un sistema
continua de produccioacuten)
10
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno [3]
El tiempo de residencia de la alimentacioacuten en el reactor es de aproximadamente de 5 a 15
minutos Ademaacutes a la misma vez que va disminuyendo la temperatura en el lecho de
catalizador se va formando una capa de coque en el lecho Para hacer frente al problema del
coque este proceso posee un sistema de regeneracioacuten que emplea aire precalentado para
quemar esta deposicioacuten (a la misma vez aporta el calor necesario para alcanzar la temperatura
deseada) El efluente del reactor se somete a una serie de tratamientos primer lugar la
corriente se enfriacutea en una torre de enfriamiento posteriormente se comprime antes de la
alimentacioacuten al sistema de absorcioacutenstripper En este complejo de absorcioacuten se consigue un
concentrado de C4 para el sistema final de extraccioacuten de butadieno obteniendo una corriente
de producto de butadieno de gran pureza Esta ruta de proceso se trabaja a un rango de
conversioacuten de aproximadamente un 30-40 y un rendimiento total de 60-65
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
Es un sistema que ha reemplazado a muchos procesos antiguos de produccioacuten de butadieno
debido al desarrollo de varios procesos y sistemas de catalizadores de oxideshidrogenacioacuten de
cualquier n-butano o de n-buteno El 1-buteno es mucho maacutes reactivo y requiere condiciones
de operacioacuten menos severas que la de n-butano siendo el empleo de n-butano menos
eficiente Como recomendaciones en la oxideshidrogenacioacuten una mezcla de n-butenos aire y
vapor se hace pasar sobre un lecho de catalizador a baja presioacuten y aproximadamente de 500-
600ordmC El calor de la reaccioacuten exoteacutermica puede ser eliminado indirectamente mediante la
circulacioacuten de sal fundida o por un meacutetodo alternativo que consiste en antildeadir vapor de agua a
la alimentacioacuten (actuando como disipador de calor) En el proceso Oxo-D como se observa en
11
la Figura 9 una mezcla de aire vapor y 1-buteno se hace pasar sobre el catalizador de
deshidrogenacioacuten en un proceso continuo
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos [3]
Como parte final del proceso el efluente del reactor se enfriacutea y como en el sistema anterior
los componentes C4 se recuperan en un absorbedordesgasificadorstripper El aceite como
disolvente fluye desde los fondos del stripper y regresa al absorbedor aunque antes pasa
traveacutes de una zona de purificacioacuten de disolvente Para obtener la corriente de butadieno final
es necesario eliminar la cantidad de disolvente (aceite) por medio de un stripper y un sistema
de purificacioacuten para obtener la corriente final El rango de rendimiento y selectividad puede
variar entre 70-90 lo que hace innecesario recuperar o reciclar material de alimentacioacuten (la
formacioacuten de C02 como reaccioacuten secundaria puede producir la peacuterdida de rendimiento del
proceso)
12
3 Descripcioacuten del proceso
En el estudio de este proyecto y tras analizar cada una de las opciones de trabajo para la
deshidrogenacioacuten de n-butanos se ha decidido seguir un sistema de deshidrogenacioacuten en dos
etapas [13 67]
1) Deshidrogenacioacuten no oxidativa de los n-butanos para obtener n-butenos
2) Deshidrogenacioacuten oxidativa (oxideshidrogenacioacuten) de los n-butenos para producir
butadieno
Como ya se ha dicho con anterioridad existen tres caminos de produccioacuten de butadieno sin
embargo se considera principalmente debido a la necesidad de eficiencia implantar dos fases
distintas de deshidrogenacioacuten La primera fase que corresponde al proceso Catadiene que
consiste en una deshidrogenacioacuten no oxidativa del n-butano mientras que se complementa
con una zona de oxideshidrogenacioacuten de los n-butenos Se ha decidido tomar este sistema
debido a las siguientes razones
o Mayor conversioacuten y selectividad global gracias a la oxideshidrogenacioacuten el aporte de
oxiacutegeno permite eliminar parte de hidrogeno en forma de agua (rendimiento aprox de
65 y una selectividad de 93)
o Oxiacutegeno junto al vapor alimentado disminuye la coquizacioacuten del catalizador
o Bajo consumo de vapor respecto a la deshidrogenacioacuten no oxidativa
o Adicioacuten de oxiacutegeno en la deshidrogenacioacuten de n-butanos genera una gran cantidad de
productos indeseados debido a que a las altas temperaturas requeridas favorece la
reaccioacuten del oxiacutegeno
o Butenos son muchos maacutes reactivos de ahiacute que necesiten condiciones de operacioacuten
menos severas por lo que no es praacutectico la oxideshidrogenacioacuten del n-butano
Este sistema de deshidrogenacioacuten se dividiraacute en tres fases de procesamiento como se observa
en el diagrama de bloques de la Figura 10
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno (6)
13
En primer lugar este medio de produccioacuten parte de una corriente de n-butanos isobutano
propano y un porcentaje de hidrocarburos (C5) la cual necesita ser tratada para obtener una
corriente pura de n-butanos Este sistema presenta un tren de separacioacuten en primer lugar una
columna de destilacioacuten que lo separe en una corriente de n-butano y posteriormente
aprovechar la corriente de isobutanos con un reactor de isomerizacioacuten para generar maacutes n-
butano o como producto final para otros procesos Maacutes adelante en el proyecto se decidiraacute
que se haraacute con el isobutano
Una vez obtenida la corriente de n-butano se alimenta a la zona de deshidrogenacioacuten
encargada de deshidrogenizar para conseguir el butadieno Como ya se ha enunciado se
instalaraacuten dos zonas de deshidrogenacioacuten con condiciones de operacioacuten diferentes La
deshidrogenacioacuten no oxidativa de n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica trabajando
a un rango de temperatura de 600-700ordmC y una presioacuten de 05-8 bar (3) La reaccioacuten principal
en el primer reactor seriacutea la formacioacuten de buteno a traveacutes de la peacuterdida de hidroacutegeno de n-
butano para dar 1-buteno
C4H10 C4H8 (1-buteno) + H2
Para aportar el calor necesario de reaccioacuten se puede quemar in-situ el hidroacutegeno liberado
antildeadiendo una corriente de oxiacutegeno (aire) Suele ser necesario antildeadir hidroacutegeno adicional
externamente para satisfacer totalmente el calor de reaccioacuten
H2 + O2 H2O
Estas reacciones se catalizan selectivamente por catalizadores especializados a este sistema
Los catalizadores se pueden separar en dos partes fundamentales como soporte y composicioacuten
activa En primer lugar el soporte consiste generalmente en un oacutexido resistente al calor u
oacutexido mixto Los oacutexidos empleados preferentemente son los oacutexidos de aluminio oacutexido de
cromo o dioacutexido de silicio La composicioacuten activa de los catalizadores de deshidrogenacioacuten se
comprende generalmente en uno o maacutes metales del grupo de transicioacuten VII de la tabla
perioacutedica preferentemente platino yo paladio En este caso para este reactor se utiliza el
catalizador maacutes comuacuten que es una mezcla de oacutexido de aluminio y oacutexido de cromo Los
catalizadores de deshidrogenacioacuten en su funcioacuten se degeneran con la necesidad de montar un
reactor en paralelo que permita su regeneracioacuten de forma continua Ademaacutes como se observa
14
en el diagrama de bloques de la figura 10 es necesario la aplicacioacuten a estas zonas de
deshidrogenacioacuten de aire a traveacutes del lecho catalizador
Una vez obtenida la corriente de n-butenos se alimenta al segundo reactor con la diferencia
que necesita la alimentacioacuten de oxiacutegeno para la deshidrogenacioacuten oxidativa del 1-buteno La
adiccioacuten de oxigeno permite mejorar la conversioacuten y la selectividad de la deshidrogenacioacuten de
n-buteno eliminando el hidrogeno (7)
2 C4H8 + O2 2 C4H6 + 2 H2O (Reaccioacuten principal)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O (Reaccioacuten secundaria)
Como al igual que la deshidrogenacioacuten no oxidativa para la deshidrogenacioacuten del 1-buteno se
necesita un catalizador preferentemente un sistema de oacutexido multimetaacutelico Mo-Bi-Fe-O En
esta reaccioacuten aparece la formacioacuten de CO2 como reaccioacuten secundaria indeseada a partir del 1-
buteno Una vez obtenida la corriente final de butadieno n-butano no convertido y los demaacutes
co-productos se llevan a un tren de separacioacuten que consta de una columna de destilacioacuten
extractiva con un solvente En primer lugar la columna de destilacioacuten se separa el resto de
hidrocarburos (n-butanos sin reaccionar) por cabeza mientras que el 13-butadieno sale por
fondos Los fondos presentan gran cantidad de disolvente de ahiacute que utilicen una columna de
recuperacioacuten de disolvente para obtener el butadieno final
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
4
longitud del doble enlace en 13-butadieno es 0134 nm y los enlaces simples 0148 Ya que los
enlaces simples de carbono-carbono son normalmente de 0154 nm esto indica el grado de
doble enlace en la mitad de enlace simple [4]
22 Aplicaciones
La produccioacuten de butadieno mundial estaacute dominada por las fracciones de craqueo por vapor
de C4 convirtieacutendose en la ruta ideal para maacutes del 95 de la produccioacuten de butadieno En la
Figura 3 se puede distinguir la situacioacuten mundial de butadieno en 1998 y destacar por
ejemplo que en el caso de Europa Occidental la materia especiacutefica de craqueo se centra en la
nafta El motivo de este dominio son los altos rendimientos conseguidos a traveacutes de este
medio sin embargo en la actualidad su aplicacioacuten ha disminuido ligeramente debido al
desarrollo de nuevas teacutecnicas de deshidrogenacioacuten oxidativa como se veraacute en los apartados
siguientes
Figura 3 Produccioacuten capacidades y consumo de butadieno mundial en 1998 [1]
El butadieno se usa principalmente como monoacutemero en la fabricacioacuten de cauchos o
elastoacutemeros sinteacuteticos como se aprecia en la Figura 4 suponiendo aproximadamente el 70
del uso de butadieno Entre los poliacutemeros destacados de esta aplicacioacuten son Estireno-
butadieno (SBR) caucho de polibutadieno (PBR) policloropreno (Neopreno) y caucho de
nitrilo (NBR) Ademaacutes como monoacutemero es importante como intermediario en la produccioacuten de
algunos productos quiacutemicos (gracias a su alta reactividad quiacutemica) Los cauchos anteriormente
mencionados se distinguiriacutean de la siguiente forma [4]
Caucho estireno-butadieno (SBR) se obtiene por la polimerizacioacuten de estireno y
butadieno constituyendo la mayor aplicacioacuten de butadieno El uso principal de SBR
5
estaacute en neumaacuteticos y en menor cantidad en adhesivos y selladores suelas de zapatos
revestimientos de alambre y cable
Polibutadieno (PB) producido por la polimerizacioacuten de butadieno es el segundo
monoacutemero maacutes usado Ademaacutes de coacutemo materia prima para neumaacuteticos el PB se
utiliza como producto intermedio en la produccioacuten de acrilonitrilo-butadieno-estireno
(ABS) y modificadores de impacto
Laacutetex Estireno-butadieno (SBL) se trata de una dispersioacuten acuosa estable que contiene
discretas partiacuteculas de poliacutemero de aproximadamente 005 a 5 microacutemetros de
diaacutemetro Entre sus aplicaciones consta la goma espuma (cojines esponjas) adhesivos
(pavimentos azulejos) selladores y revestimientos de papel
Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno (ABS) resinas ABS son mezclas de dos fases Se pueden
producir por polimerizacioacuten donde los homopoliacutemeros de polibutadieno se injertan en
un copoliacutemero de estierno-acronitrilo Estas resinas posee una amplia gama de
aplicaciones que incluyen de piezas de automoacuteviles teleacutefonos maacutequinas de oficina tales
como ordenadores y electrodomeacutesticos
Caucho de nitrilo (NBR) este caucho es producido en menor cantidad que los anteriores
y se obtiene a partir de la copolimerizacioacuten de acrilonitrilo y butadieno Este material se
utiliza en productos como mangueras tuberiacuteas de combustible adhesivos guantes y
calzado
Copoliacutemero de bloques de Estireno-butadieno (SBS Y SEBS) sus aplicaciones son incluidas
en aditivos para aceites lubricantes adhesivos aplicaciones de automocioacuten alimentos y
otro tipo de envases dispositivos meacutedicos
Metacrilato de metilo-butadieno-estireno (MMBS) su produccioacuten es maacutes escasa ya que
se dedica como modificador de impacto en piezas de automoacuteviles botellas y envases de
alimentos
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU 2000 (a la derecha) [45]
6
Ademaacutes de los poliacutemeros como se mencionoacute anteriormente el butadieno constituye distintos
intermediarios quiacutemicos En la figura 5 puede apreciarse los tipos de poliacutemeros enumerados y
los compuestos quiacutemicos principales como adiponitrilo cloropropano y sus posteriores
aplicaciones
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno [4]
23 Potencial de exposicioacuten
El butadieno forma parte en la produccioacuten de productos industriales y de consumo sin
embargo sobre la base de estos usos los individuos pueden estar expuestos de diferentes
formas [5]
Exposicioacuten Diaria es la exposicioacuten que afecta a los individuos que trabajan en
instalaciones de butadieno y plantas de productos que emplean este compuesto En
estas instalaciones se pueden enfrentar a las exposiciones maacutes comunes de butadieno
por fallo mecaacutenico de un sello de la bomba el paquete de la vaacutelvula conexioacuten de la
tuberiacutea o junta Sin embargo los responsables emplean sistemas de seguridad
restrictivos regulados y controlados por permisos y normas
7
Exposicioacuten del consumidor de producto conteniente en butadieno los consumidores
estaacuten expuestos a niveles bajos o no detectables de butadieno (butadieno no se vende
para uso de consumidores) a traveacutes de la ingesta de alimentos que estaban
almacenados en envases contenedores de butadieno
Emisiones al medio ambiente butadieno se libera en el medio ambiente tanto de
fuentes industriales y no industriales Ante cualquier emisioacuten el sistema de control se
centra en evitar cualquier probabilidad de incendio y controlar los derrames
reduciendo la contaminacioacuten de aire suelo y aguas superficiales o subterraacuteneas Su
alta presioacuten de vapor y la insolubilidad de agua hace que se acumule en el aire creando
un riesgo en la inhalacioacuten (de ahiacute es necesario proteccioacuten de las viacuteas respiratoria ante
cualquier derrame o fuga)
Riesgo para la salud
Contacto con los ojos butadieno liacutequido puede causar la congelacioacuten si entra en
contacto con los ojos y se evapora raacutepidamente Los vapores de butadieno pueden
causar irritacioacuten en los ojos causando incomodidad y enrojecimiento
Contacto con la piel butadieno no es irritante para la piel aunque el butadieno liacutequido
puede causar congelacioacuten si entra en contacto con la piel
Ingestioacuten es poco probable ya que el material es un gas a temperatura y presioacuten
ambiente Aunque el contacto con butadieno liacutequido podriacutea dar lugar a la congelacioacuten
de los labios
Inhalacioacuten zonas cerradas o poco ventilados los vapores de butadieno se pueden
acumular y causar inconsciencia y la muerte Las exposiciones excesivas pueden causar
irritacioacuten en el sistema respiratorio superior (nariz y garganta) o efectos en el sistema
nervioso central Los siacutentomas pueden incluir efectos anesteacutesicos o narcoacuteticos como
mareo o somnolencia
Exposicioacuten repetida exposiciones excesivas repetidas se han reportado efectos en los
rintildeones el hiacutegado los ovarios las viacuteas respiratorias y los testiacuteculos La exposicioacuten
excesiva puede causar dantildeo a los oacuterganos hematopoyeacuteticos (medula oacutesea y bazo)
Carcinogenecidad el butadieno aparece como un carcinoacutegeno humano por la Agencia
Internacional para la Investigacioacuten sobre el Caacutencer
24 Procesos comerciales de butadieno
La produccioacuten de butadieno desde su descubrimiento a traveacutes de la piroacutelisis de materiales
orgaacutenicos ha sido desarrollada a la misma vez que la industria petroquiacutemica En primer lugar
8
el butadieno era generado a partir del acetileno asiacute como del etanol No obstante la
importancia de estos procesos ha disminuido debido a la creciente produccioacuten de butadieno a
partir del petroacuteleo Se han desarrollado tres sistemas de produccioacuten a traveacutes de esta fuente
[1 24]
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
Es el camino maacutes utilizado para la produccioacuten de butadieno en paiacuteses como Estados Unidos
Oeste de Europa y Japoacuten representando aproximadamente el 91 del suministro mundial de
butadieno En este caso no existe una materia prima principal sino que tanto etano propano
butano nafta y gasoacuteleo se alimentan a una pirolisis (craqueo al vapor) de horno donde
combinado con vapor de agua alcanza temperaturas de entre aproximadamente 790-830ordmC
En este rango de temperatura los enlaces C-C y C-H se rompen produciendo hidrogeno
etileno propileno butadieno benceno tolueno y otros co-productos olefiacutenicos importantes
Despueacutes de la pirolisis se enfriacutea el resto de la planta separa los productos deseados en
distintos cortes de acuerdo a las especificaciones impuestas a cada uno de ellos A
continuacioacuten se aprecia en la Figura 6 un ejemplo de los distintos rendimientos de butadieno
respecto a distintas materias primas
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas [3]
La corriente de producto de butadieno crudo final alcanza concentraciones de hasta
aproximadamente un 75 en peso (esta concentracioacuten puede variar en funcioacuten de reciclo en el
sistema)
Como se puede distinguir en la liacutenea roja de la Figura 7 el butadieno experimenta una serie de
tratamientos posterior a su piroacutelisis como enfriamiento compresioacuten lavado secado y
finalmente un proceso de extraccioacuten para obtener la corriente final de butadieno
9
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking [3]
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
Esta deshidrogenacioacuten constituye parte principal del proceso y se constituye en dos etapas de
trabajo primero convirtiendo n-butano a n-butenos y luego a butadieno (etapas
endoteacutermicas) Estas zonas presentan ademaacutes de los reactores principales (trabajando
aproximadamente en rangos de P absoluta de 12-15 cmHg y T de 600-680ordmC) dos reactores
instalados de forma continua Se pueden apreciar en la Figura 8 el segundo reactor se
utilizariacutea para la regeneracioacuten de catalizador mientras que el tercer reactor es el encargado de
purgar antes de que empiece la regeneracioacuten (de esta manera se comporta como un sistema
continua de produccioacuten)
10
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno [3]
El tiempo de residencia de la alimentacioacuten en el reactor es de aproximadamente de 5 a 15
minutos Ademaacutes a la misma vez que va disminuyendo la temperatura en el lecho de
catalizador se va formando una capa de coque en el lecho Para hacer frente al problema del
coque este proceso posee un sistema de regeneracioacuten que emplea aire precalentado para
quemar esta deposicioacuten (a la misma vez aporta el calor necesario para alcanzar la temperatura
deseada) El efluente del reactor se somete a una serie de tratamientos primer lugar la
corriente se enfriacutea en una torre de enfriamiento posteriormente se comprime antes de la
alimentacioacuten al sistema de absorcioacutenstripper En este complejo de absorcioacuten se consigue un
concentrado de C4 para el sistema final de extraccioacuten de butadieno obteniendo una corriente
de producto de butadieno de gran pureza Esta ruta de proceso se trabaja a un rango de
conversioacuten de aproximadamente un 30-40 y un rendimiento total de 60-65
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
Es un sistema que ha reemplazado a muchos procesos antiguos de produccioacuten de butadieno
debido al desarrollo de varios procesos y sistemas de catalizadores de oxideshidrogenacioacuten de
cualquier n-butano o de n-buteno El 1-buteno es mucho maacutes reactivo y requiere condiciones
de operacioacuten menos severas que la de n-butano siendo el empleo de n-butano menos
eficiente Como recomendaciones en la oxideshidrogenacioacuten una mezcla de n-butenos aire y
vapor se hace pasar sobre un lecho de catalizador a baja presioacuten y aproximadamente de 500-
600ordmC El calor de la reaccioacuten exoteacutermica puede ser eliminado indirectamente mediante la
circulacioacuten de sal fundida o por un meacutetodo alternativo que consiste en antildeadir vapor de agua a
la alimentacioacuten (actuando como disipador de calor) En el proceso Oxo-D como se observa en
11
la Figura 9 una mezcla de aire vapor y 1-buteno se hace pasar sobre el catalizador de
deshidrogenacioacuten en un proceso continuo
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos [3]
Como parte final del proceso el efluente del reactor se enfriacutea y como en el sistema anterior
los componentes C4 se recuperan en un absorbedordesgasificadorstripper El aceite como
disolvente fluye desde los fondos del stripper y regresa al absorbedor aunque antes pasa
traveacutes de una zona de purificacioacuten de disolvente Para obtener la corriente de butadieno final
es necesario eliminar la cantidad de disolvente (aceite) por medio de un stripper y un sistema
de purificacioacuten para obtener la corriente final El rango de rendimiento y selectividad puede
variar entre 70-90 lo que hace innecesario recuperar o reciclar material de alimentacioacuten (la
formacioacuten de C02 como reaccioacuten secundaria puede producir la peacuterdida de rendimiento del
proceso)
12
3 Descripcioacuten del proceso
En el estudio de este proyecto y tras analizar cada una de las opciones de trabajo para la
deshidrogenacioacuten de n-butanos se ha decidido seguir un sistema de deshidrogenacioacuten en dos
etapas [13 67]
1) Deshidrogenacioacuten no oxidativa de los n-butanos para obtener n-butenos
2) Deshidrogenacioacuten oxidativa (oxideshidrogenacioacuten) de los n-butenos para producir
butadieno
Como ya se ha dicho con anterioridad existen tres caminos de produccioacuten de butadieno sin
embargo se considera principalmente debido a la necesidad de eficiencia implantar dos fases
distintas de deshidrogenacioacuten La primera fase que corresponde al proceso Catadiene que
consiste en una deshidrogenacioacuten no oxidativa del n-butano mientras que se complementa
con una zona de oxideshidrogenacioacuten de los n-butenos Se ha decidido tomar este sistema
debido a las siguientes razones
o Mayor conversioacuten y selectividad global gracias a la oxideshidrogenacioacuten el aporte de
oxiacutegeno permite eliminar parte de hidrogeno en forma de agua (rendimiento aprox de
65 y una selectividad de 93)
o Oxiacutegeno junto al vapor alimentado disminuye la coquizacioacuten del catalizador
o Bajo consumo de vapor respecto a la deshidrogenacioacuten no oxidativa
o Adicioacuten de oxiacutegeno en la deshidrogenacioacuten de n-butanos genera una gran cantidad de
productos indeseados debido a que a las altas temperaturas requeridas favorece la
reaccioacuten del oxiacutegeno
o Butenos son muchos maacutes reactivos de ahiacute que necesiten condiciones de operacioacuten
menos severas por lo que no es praacutectico la oxideshidrogenacioacuten del n-butano
Este sistema de deshidrogenacioacuten se dividiraacute en tres fases de procesamiento como se observa
en el diagrama de bloques de la Figura 10
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno (6)
13
En primer lugar este medio de produccioacuten parte de una corriente de n-butanos isobutano
propano y un porcentaje de hidrocarburos (C5) la cual necesita ser tratada para obtener una
corriente pura de n-butanos Este sistema presenta un tren de separacioacuten en primer lugar una
columna de destilacioacuten que lo separe en una corriente de n-butano y posteriormente
aprovechar la corriente de isobutanos con un reactor de isomerizacioacuten para generar maacutes n-
butano o como producto final para otros procesos Maacutes adelante en el proyecto se decidiraacute
que se haraacute con el isobutano
Una vez obtenida la corriente de n-butano se alimenta a la zona de deshidrogenacioacuten
encargada de deshidrogenizar para conseguir el butadieno Como ya se ha enunciado se
instalaraacuten dos zonas de deshidrogenacioacuten con condiciones de operacioacuten diferentes La
deshidrogenacioacuten no oxidativa de n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica trabajando
a un rango de temperatura de 600-700ordmC y una presioacuten de 05-8 bar (3) La reaccioacuten principal
en el primer reactor seriacutea la formacioacuten de buteno a traveacutes de la peacuterdida de hidroacutegeno de n-
butano para dar 1-buteno
C4H10 C4H8 (1-buteno) + H2
Para aportar el calor necesario de reaccioacuten se puede quemar in-situ el hidroacutegeno liberado
antildeadiendo una corriente de oxiacutegeno (aire) Suele ser necesario antildeadir hidroacutegeno adicional
externamente para satisfacer totalmente el calor de reaccioacuten
H2 + O2 H2O
Estas reacciones se catalizan selectivamente por catalizadores especializados a este sistema
Los catalizadores se pueden separar en dos partes fundamentales como soporte y composicioacuten
activa En primer lugar el soporte consiste generalmente en un oacutexido resistente al calor u
oacutexido mixto Los oacutexidos empleados preferentemente son los oacutexidos de aluminio oacutexido de
cromo o dioacutexido de silicio La composicioacuten activa de los catalizadores de deshidrogenacioacuten se
comprende generalmente en uno o maacutes metales del grupo de transicioacuten VII de la tabla
perioacutedica preferentemente platino yo paladio En este caso para este reactor se utiliza el
catalizador maacutes comuacuten que es una mezcla de oacutexido de aluminio y oacutexido de cromo Los
catalizadores de deshidrogenacioacuten en su funcioacuten se degeneran con la necesidad de montar un
reactor en paralelo que permita su regeneracioacuten de forma continua Ademaacutes como se observa
14
en el diagrama de bloques de la figura 10 es necesario la aplicacioacuten a estas zonas de
deshidrogenacioacuten de aire a traveacutes del lecho catalizador
Una vez obtenida la corriente de n-butenos se alimenta al segundo reactor con la diferencia
que necesita la alimentacioacuten de oxiacutegeno para la deshidrogenacioacuten oxidativa del 1-buteno La
adiccioacuten de oxigeno permite mejorar la conversioacuten y la selectividad de la deshidrogenacioacuten de
n-buteno eliminando el hidrogeno (7)
2 C4H8 + O2 2 C4H6 + 2 H2O (Reaccioacuten principal)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O (Reaccioacuten secundaria)
Como al igual que la deshidrogenacioacuten no oxidativa para la deshidrogenacioacuten del 1-buteno se
necesita un catalizador preferentemente un sistema de oacutexido multimetaacutelico Mo-Bi-Fe-O En
esta reaccioacuten aparece la formacioacuten de CO2 como reaccioacuten secundaria indeseada a partir del 1-
buteno Una vez obtenida la corriente final de butadieno n-butano no convertido y los demaacutes
co-productos se llevan a un tren de separacioacuten que consta de una columna de destilacioacuten
extractiva con un solvente En primer lugar la columna de destilacioacuten se separa el resto de
hidrocarburos (n-butanos sin reaccionar) por cabeza mientras que el 13-butadieno sale por
fondos Los fondos presentan gran cantidad de disolvente de ahiacute que utilicen una columna de
recuperacioacuten de disolvente para obtener el butadieno final
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
5
estaacute en neumaacuteticos y en menor cantidad en adhesivos y selladores suelas de zapatos
revestimientos de alambre y cable
Polibutadieno (PB) producido por la polimerizacioacuten de butadieno es el segundo
monoacutemero maacutes usado Ademaacutes de coacutemo materia prima para neumaacuteticos el PB se
utiliza como producto intermedio en la produccioacuten de acrilonitrilo-butadieno-estireno
(ABS) y modificadores de impacto
Laacutetex Estireno-butadieno (SBL) se trata de una dispersioacuten acuosa estable que contiene
discretas partiacuteculas de poliacutemero de aproximadamente 005 a 5 microacutemetros de
diaacutemetro Entre sus aplicaciones consta la goma espuma (cojines esponjas) adhesivos
(pavimentos azulejos) selladores y revestimientos de papel
Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno (ABS) resinas ABS son mezclas de dos fases Se pueden
producir por polimerizacioacuten donde los homopoliacutemeros de polibutadieno se injertan en
un copoliacutemero de estierno-acronitrilo Estas resinas posee una amplia gama de
aplicaciones que incluyen de piezas de automoacuteviles teleacutefonos maacutequinas de oficina tales
como ordenadores y electrodomeacutesticos
Caucho de nitrilo (NBR) este caucho es producido en menor cantidad que los anteriores
y se obtiene a partir de la copolimerizacioacuten de acrilonitrilo y butadieno Este material se
utiliza en productos como mangueras tuberiacuteas de combustible adhesivos guantes y
calzado
Copoliacutemero de bloques de Estireno-butadieno (SBS Y SEBS) sus aplicaciones son incluidas
en aditivos para aceites lubricantes adhesivos aplicaciones de automocioacuten alimentos y
otro tipo de envases dispositivos meacutedicos
Metacrilato de metilo-butadieno-estireno (MMBS) su produccioacuten es maacutes escasa ya que
se dedica como modificador de impacto en piezas de automoacuteviles botellas y envases de
alimentos
Figura 4 Graacutefico de uso mundial de butadieno (a la izquierda) y reparto en la produccioacuten de butadieno en EEUU 2000 (a la derecha) [45]
6
Ademaacutes de los poliacutemeros como se mencionoacute anteriormente el butadieno constituye distintos
intermediarios quiacutemicos En la figura 5 puede apreciarse los tipos de poliacutemeros enumerados y
los compuestos quiacutemicos principales como adiponitrilo cloropropano y sus posteriores
aplicaciones
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno [4]
23 Potencial de exposicioacuten
El butadieno forma parte en la produccioacuten de productos industriales y de consumo sin
embargo sobre la base de estos usos los individuos pueden estar expuestos de diferentes
formas [5]
Exposicioacuten Diaria es la exposicioacuten que afecta a los individuos que trabajan en
instalaciones de butadieno y plantas de productos que emplean este compuesto En
estas instalaciones se pueden enfrentar a las exposiciones maacutes comunes de butadieno
por fallo mecaacutenico de un sello de la bomba el paquete de la vaacutelvula conexioacuten de la
tuberiacutea o junta Sin embargo los responsables emplean sistemas de seguridad
restrictivos regulados y controlados por permisos y normas
7
Exposicioacuten del consumidor de producto conteniente en butadieno los consumidores
estaacuten expuestos a niveles bajos o no detectables de butadieno (butadieno no se vende
para uso de consumidores) a traveacutes de la ingesta de alimentos que estaban
almacenados en envases contenedores de butadieno
Emisiones al medio ambiente butadieno se libera en el medio ambiente tanto de
fuentes industriales y no industriales Ante cualquier emisioacuten el sistema de control se
centra en evitar cualquier probabilidad de incendio y controlar los derrames
reduciendo la contaminacioacuten de aire suelo y aguas superficiales o subterraacuteneas Su
alta presioacuten de vapor y la insolubilidad de agua hace que se acumule en el aire creando
un riesgo en la inhalacioacuten (de ahiacute es necesario proteccioacuten de las viacuteas respiratoria ante
cualquier derrame o fuga)
Riesgo para la salud
Contacto con los ojos butadieno liacutequido puede causar la congelacioacuten si entra en
contacto con los ojos y se evapora raacutepidamente Los vapores de butadieno pueden
causar irritacioacuten en los ojos causando incomodidad y enrojecimiento
Contacto con la piel butadieno no es irritante para la piel aunque el butadieno liacutequido
puede causar congelacioacuten si entra en contacto con la piel
Ingestioacuten es poco probable ya que el material es un gas a temperatura y presioacuten
ambiente Aunque el contacto con butadieno liacutequido podriacutea dar lugar a la congelacioacuten
de los labios
Inhalacioacuten zonas cerradas o poco ventilados los vapores de butadieno se pueden
acumular y causar inconsciencia y la muerte Las exposiciones excesivas pueden causar
irritacioacuten en el sistema respiratorio superior (nariz y garganta) o efectos en el sistema
nervioso central Los siacutentomas pueden incluir efectos anesteacutesicos o narcoacuteticos como
mareo o somnolencia
Exposicioacuten repetida exposiciones excesivas repetidas se han reportado efectos en los
rintildeones el hiacutegado los ovarios las viacuteas respiratorias y los testiacuteculos La exposicioacuten
excesiva puede causar dantildeo a los oacuterganos hematopoyeacuteticos (medula oacutesea y bazo)
Carcinogenecidad el butadieno aparece como un carcinoacutegeno humano por la Agencia
Internacional para la Investigacioacuten sobre el Caacutencer
24 Procesos comerciales de butadieno
La produccioacuten de butadieno desde su descubrimiento a traveacutes de la piroacutelisis de materiales
orgaacutenicos ha sido desarrollada a la misma vez que la industria petroquiacutemica En primer lugar
8
el butadieno era generado a partir del acetileno asiacute como del etanol No obstante la
importancia de estos procesos ha disminuido debido a la creciente produccioacuten de butadieno a
partir del petroacuteleo Se han desarrollado tres sistemas de produccioacuten a traveacutes de esta fuente
[1 24]
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
Es el camino maacutes utilizado para la produccioacuten de butadieno en paiacuteses como Estados Unidos
Oeste de Europa y Japoacuten representando aproximadamente el 91 del suministro mundial de
butadieno En este caso no existe una materia prima principal sino que tanto etano propano
butano nafta y gasoacuteleo se alimentan a una pirolisis (craqueo al vapor) de horno donde
combinado con vapor de agua alcanza temperaturas de entre aproximadamente 790-830ordmC
En este rango de temperatura los enlaces C-C y C-H se rompen produciendo hidrogeno
etileno propileno butadieno benceno tolueno y otros co-productos olefiacutenicos importantes
Despueacutes de la pirolisis se enfriacutea el resto de la planta separa los productos deseados en
distintos cortes de acuerdo a las especificaciones impuestas a cada uno de ellos A
continuacioacuten se aprecia en la Figura 6 un ejemplo de los distintos rendimientos de butadieno
respecto a distintas materias primas
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas [3]
La corriente de producto de butadieno crudo final alcanza concentraciones de hasta
aproximadamente un 75 en peso (esta concentracioacuten puede variar en funcioacuten de reciclo en el
sistema)
Como se puede distinguir en la liacutenea roja de la Figura 7 el butadieno experimenta una serie de
tratamientos posterior a su piroacutelisis como enfriamiento compresioacuten lavado secado y
finalmente un proceso de extraccioacuten para obtener la corriente final de butadieno
9
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking [3]
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
Esta deshidrogenacioacuten constituye parte principal del proceso y se constituye en dos etapas de
trabajo primero convirtiendo n-butano a n-butenos y luego a butadieno (etapas
endoteacutermicas) Estas zonas presentan ademaacutes de los reactores principales (trabajando
aproximadamente en rangos de P absoluta de 12-15 cmHg y T de 600-680ordmC) dos reactores
instalados de forma continua Se pueden apreciar en la Figura 8 el segundo reactor se
utilizariacutea para la regeneracioacuten de catalizador mientras que el tercer reactor es el encargado de
purgar antes de que empiece la regeneracioacuten (de esta manera se comporta como un sistema
continua de produccioacuten)
10
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno [3]
El tiempo de residencia de la alimentacioacuten en el reactor es de aproximadamente de 5 a 15
minutos Ademaacutes a la misma vez que va disminuyendo la temperatura en el lecho de
catalizador se va formando una capa de coque en el lecho Para hacer frente al problema del
coque este proceso posee un sistema de regeneracioacuten que emplea aire precalentado para
quemar esta deposicioacuten (a la misma vez aporta el calor necesario para alcanzar la temperatura
deseada) El efluente del reactor se somete a una serie de tratamientos primer lugar la
corriente se enfriacutea en una torre de enfriamiento posteriormente se comprime antes de la
alimentacioacuten al sistema de absorcioacutenstripper En este complejo de absorcioacuten se consigue un
concentrado de C4 para el sistema final de extraccioacuten de butadieno obteniendo una corriente
de producto de butadieno de gran pureza Esta ruta de proceso se trabaja a un rango de
conversioacuten de aproximadamente un 30-40 y un rendimiento total de 60-65
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
Es un sistema que ha reemplazado a muchos procesos antiguos de produccioacuten de butadieno
debido al desarrollo de varios procesos y sistemas de catalizadores de oxideshidrogenacioacuten de
cualquier n-butano o de n-buteno El 1-buteno es mucho maacutes reactivo y requiere condiciones
de operacioacuten menos severas que la de n-butano siendo el empleo de n-butano menos
eficiente Como recomendaciones en la oxideshidrogenacioacuten una mezcla de n-butenos aire y
vapor se hace pasar sobre un lecho de catalizador a baja presioacuten y aproximadamente de 500-
600ordmC El calor de la reaccioacuten exoteacutermica puede ser eliminado indirectamente mediante la
circulacioacuten de sal fundida o por un meacutetodo alternativo que consiste en antildeadir vapor de agua a
la alimentacioacuten (actuando como disipador de calor) En el proceso Oxo-D como se observa en
11
la Figura 9 una mezcla de aire vapor y 1-buteno se hace pasar sobre el catalizador de
deshidrogenacioacuten en un proceso continuo
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos [3]
Como parte final del proceso el efluente del reactor se enfriacutea y como en el sistema anterior
los componentes C4 se recuperan en un absorbedordesgasificadorstripper El aceite como
disolvente fluye desde los fondos del stripper y regresa al absorbedor aunque antes pasa
traveacutes de una zona de purificacioacuten de disolvente Para obtener la corriente de butadieno final
es necesario eliminar la cantidad de disolvente (aceite) por medio de un stripper y un sistema
de purificacioacuten para obtener la corriente final El rango de rendimiento y selectividad puede
variar entre 70-90 lo que hace innecesario recuperar o reciclar material de alimentacioacuten (la
formacioacuten de C02 como reaccioacuten secundaria puede producir la peacuterdida de rendimiento del
proceso)
12
3 Descripcioacuten del proceso
En el estudio de este proyecto y tras analizar cada una de las opciones de trabajo para la
deshidrogenacioacuten de n-butanos se ha decidido seguir un sistema de deshidrogenacioacuten en dos
etapas [13 67]
1) Deshidrogenacioacuten no oxidativa de los n-butanos para obtener n-butenos
2) Deshidrogenacioacuten oxidativa (oxideshidrogenacioacuten) de los n-butenos para producir
butadieno
Como ya se ha dicho con anterioridad existen tres caminos de produccioacuten de butadieno sin
embargo se considera principalmente debido a la necesidad de eficiencia implantar dos fases
distintas de deshidrogenacioacuten La primera fase que corresponde al proceso Catadiene que
consiste en una deshidrogenacioacuten no oxidativa del n-butano mientras que se complementa
con una zona de oxideshidrogenacioacuten de los n-butenos Se ha decidido tomar este sistema
debido a las siguientes razones
o Mayor conversioacuten y selectividad global gracias a la oxideshidrogenacioacuten el aporte de
oxiacutegeno permite eliminar parte de hidrogeno en forma de agua (rendimiento aprox de
65 y una selectividad de 93)
o Oxiacutegeno junto al vapor alimentado disminuye la coquizacioacuten del catalizador
o Bajo consumo de vapor respecto a la deshidrogenacioacuten no oxidativa
o Adicioacuten de oxiacutegeno en la deshidrogenacioacuten de n-butanos genera una gran cantidad de
productos indeseados debido a que a las altas temperaturas requeridas favorece la
reaccioacuten del oxiacutegeno
o Butenos son muchos maacutes reactivos de ahiacute que necesiten condiciones de operacioacuten
menos severas por lo que no es praacutectico la oxideshidrogenacioacuten del n-butano
Este sistema de deshidrogenacioacuten se dividiraacute en tres fases de procesamiento como se observa
en el diagrama de bloques de la Figura 10
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno (6)
13
En primer lugar este medio de produccioacuten parte de una corriente de n-butanos isobutano
propano y un porcentaje de hidrocarburos (C5) la cual necesita ser tratada para obtener una
corriente pura de n-butanos Este sistema presenta un tren de separacioacuten en primer lugar una
columna de destilacioacuten que lo separe en una corriente de n-butano y posteriormente
aprovechar la corriente de isobutanos con un reactor de isomerizacioacuten para generar maacutes n-
butano o como producto final para otros procesos Maacutes adelante en el proyecto se decidiraacute
que se haraacute con el isobutano
Una vez obtenida la corriente de n-butano se alimenta a la zona de deshidrogenacioacuten
encargada de deshidrogenizar para conseguir el butadieno Como ya se ha enunciado se
instalaraacuten dos zonas de deshidrogenacioacuten con condiciones de operacioacuten diferentes La
deshidrogenacioacuten no oxidativa de n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica trabajando
a un rango de temperatura de 600-700ordmC y una presioacuten de 05-8 bar (3) La reaccioacuten principal
en el primer reactor seriacutea la formacioacuten de buteno a traveacutes de la peacuterdida de hidroacutegeno de n-
butano para dar 1-buteno
C4H10 C4H8 (1-buteno) + H2
Para aportar el calor necesario de reaccioacuten se puede quemar in-situ el hidroacutegeno liberado
antildeadiendo una corriente de oxiacutegeno (aire) Suele ser necesario antildeadir hidroacutegeno adicional
externamente para satisfacer totalmente el calor de reaccioacuten
H2 + O2 H2O
Estas reacciones se catalizan selectivamente por catalizadores especializados a este sistema
Los catalizadores se pueden separar en dos partes fundamentales como soporte y composicioacuten
activa En primer lugar el soporte consiste generalmente en un oacutexido resistente al calor u
oacutexido mixto Los oacutexidos empleados preferentemente son los oacutexidos de aluminio oacutexido de
cromo o dioacutexido de silicio La composicioacuten activa de los catalizadores de deshidrogenacioacuten se
comprende generalmente en uno o maacutes metales del grupo de transicioacuten VII de la tabla
perioacutedica preferentemente platino yo paladio En este caso para este reactor se utiliza el
catalizador maacutes comuacuten que es una mezcla de oacutexido de aluminio y oacutexido de cromo Los
catalizadores de deshidrogenacioacuten en su funcioacuten se degeneran con la necesidad de montar un
reactor en paralelo que permita su regeneracioacuten de forma continua Ademaacutes como se observa
14
en el diagrama de bloques de la figura 10 es necesario la aplicacioacuten a estas zonas de
deshidrogenacioacuten de aire a traveacutes del lecho catalizador
Una vez obtenida la corriente de n-butenos se alimenta al segundo reactor con la diferencia
que necesita la alimentacioacuten de oxiacutegeno para la deshidrogenacioacuten oxidativa del 1-buteno La
adiccioacuten de oxigeno permite mejorar la conversioacuten y la selectividad de la deshidrogenacioacuten de
n-buteno eliminando el hidrogeno (7)
2 C4H8 + O2 2 C4H6 + 2 H2O (Reaccioacuten principal)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O (Reaccioacuten secundaria)
Como al igual que la deshidrogenacioacuten no oxidativa para la deshidrogenacioacuten del 1-buteno se
necesita un catalizador preferentemente un sistema de oacutexido multimetaacutelico Mo-Bi-Fe-O En
esta reaccioacuten aparece la formacioacuten de CO2 como reaccioacuten secundaria indeseada a partir del 1-
buteno Una vez obtenida la corriente final de butadieno n-butano no convertido y los demaacutes
co-productos se llevan a un tren de separacioacuten que consta de una columna de destilacioacuten
extractiva con un solvente En primer lugar la columna de destilacioacuten se separa el resto de
hidrocarburos (n-butanos sin reaccionar) por cabeza mientras que el 13-butadieno sale por
fondos Los fondos presentan gran cantidad de disolvente de ahiacute que utilicen una columna de
recuperacioacuten de disolvente para obtener el butadieno final
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
6
Ademaacutes de los poliacutemeros como se mencionoacute anteriormente el butadieno constituye distintos
intermediarios quiacutemicos En la figura 5 puede apreciarse los tipos de poliacutemeros enumerados y
los compuestos quiacutemicos principales como adiponitrilo cloropropano y sus posteriores
aplicaciones
Figura 5 Esquema de aplicaciones de butadieno [4]
23 Potencial de exposicioacuten
El butadieno forma parte en la produccioacuten de productos industriales y de consumo sin
embargo sobre la base de estos usos los individuos pueden estar expuestos de diferentes
formas [5]
Exposicioacuten Diaria es la exposicioacuten que afecta a los individuos que trabajan en
instalaciones de butadieno y plantas de productos que emplean este compuesto En
estas instalaciones se pueden enfrentar a las exposiciones maacutes comunes de butadieno
por fallo mecaacutenico de un sello de la bomba el paquete de la vaacutelvula conexioacuten de la
tuberiacutea o junta Sin embargo los responsables emplean sistemas de seguridad
restrictivos regulados y controlados por permisos y normas
7
Exposicioacuten del consumidor de producto conteniente en butadieno los consumidores
estaacuten expuestos a niveles bajos o no detectables de butadieno (butadieno no se vende
para uso de consumidores) a traveacutes de la ingesta de alimentos que estaban
almacenados en envases contenedores de butadieno
Emisiones al medio ambiente butadieno se libera en el medio ambiente tanto de
fuentes industriales y no industriales Ante cualquier emisioacuten el sistema de control se
centra en evitar cualquier probabilidad de incendio y controlar los derrames
reduciendo la contaminacioacuten de aire suelo y aguas superficiales o subterraacuteneas Su
alta presioacuten de vapor y la insolubilidad de agua hace que se acumule en el aire creando
un riesgo en la inhalacioacuten (de ahiacute es necesario proteccioacuten de las viacuteas respiratoria ante
cualquier derrame o fuga)
Riesgo para la salud
Contacto con los ojos butadieno liacutequido puede causar la congelacioacuten si entra en
contacto con los ojos y se evapora raacutepidamente Los vapores de butadieno pueden
causar irritacioacuten en los ojos causando incomodidad y enrojecimiento
Contacto con la piel butadieno no es irritante para la piel aunque el butadieno liacutequido
puede causar congelacioacuten si entra en contacto con la piel
Ingestioacuten es poco probable ya que el material es un gas a temperatura y presioacuten
ambiente Aunque el contacto con butadieno liacutequido podriacutea dar lugar a la congelacioacuten
de los labios
Inhalacioacuten zonas cerradas o poco ventilados los vapores de butadieno se pueden
acumular y causar inconsciencia y la muerte Las exposiciones excesivas pueden causar
irritacioacuten en el sistema respiratorio superior (nariz y garganta) o efectos en el sistema
nervioso central Los siacutentomas pueden incluir efectos anesteacutesicos o narcoacuteticos como
mareo o somnolencia
Exposicioacuten repetida exposiciones excesivas repetidas se han reportado efectos en los
rintildeones el hiacutegado los ovarios las viacuteas respiratorias y los testiacuteculos La exposicioacuten
excesiva puede causar dantildeo a los oacuterganos hematopoyeacuteticos (medula oacutesea y bazo)
Carcinogenecidad el butadieno aparece como un carcinoacutegeno humano por la Agencia
Internacional para la Investigacioacuten sobre el Caacutencer
24 Procesos comerciales de butadieno
La produccioacuten de butadieno desde su descubrimiento a traveacutes de la piroacutelisis de materiales
orgaacutenicos ha sido desarrollada a la misma vez que la industria petroquiacutemica En primer lugar
8
el butadieno era generado a partir del acetileno asiacute como del etanol No obstante la
importancia de estos procesos ha disminuido debido a la creciente produccioacuten de butadieno a
partir del petroacuteleo Se han desarrollado tres sistemas de produccioacuten a traveacutes de esta fuente
[1 24]
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
Es el camino maacutes utilizado para la produccioacuten de butadieno en paiacuteses como Estados Unidos
Oeste de Europa y Japoacuten representando aproximadamente el 91 del suministro mundial de
butadieno En este caso no existe una materia prima principal sino que tanto etano propano
butano nafta y gasoacuteleo se alimentan a una pirolisis (craqueo al vapor) de horno donde
combinado con vapor de agua alcanza temperaturas de entre aproximadamente 790-830ordmC
En este rango de temperatura los enlaces C-C y C-H se rompen produciendo hidrogeno
etileno propileno butadieno benceno tolueno y otros co-productos olefiacutenicos importantes
Despueacutes de la pirolisis se enfriacutea el resto de la planta separa los productos deseados en
distintos cortes de acuerdo a las especificaciones impuestas a cada uno de ellos A
continuacioacuten se aprecia en la Figura 6 un ejemplo de los distintos rendimientos de butadieno
respecto a distintas materias primas
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas [3]
La corriente de producto de butadieno crudo final alcanza concentraciones de hasta
aproximadamente un 75 en peso (esta concentracioacuten puede variar en funcioacuten de reciclo en el
sistema)
Como se puede distinguir en la liacutenea roja de la Figura 7 el butadieno experimenta una serie de
tratamientos posterior a su piroacutelisis como enfriamiento compresioacuten lavado secado y
finalmente un proceso de extraccioacuten para obtener la corriente final de butadieno
9
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking [3]
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
Esta deshidrogenacioacuten constituye parte principal del proceso y se constituye en dos etapas de
trabajo primero convirtiendo n-butano a n-butenos y luego a butadieno (etapas
endoteacutermicas) Estas zonas presentan ademaacutes de los reactores principales (trabajando
aproximadamente en rangos de P absoluta de 12-15 cmHg y T de 600-680ordmC) dos reactores
instalados de forma continua Se pueden apreciar en la Figura 8 el segundo reactor se
utilizariacutea para la regeneracioacuten de catalizador mientras que el tercer reactor es el encargado de
purgar antes de que empiece la regeneracioacuten (de esta manera se comporta como un sistema
continua de produccioacuten)
10
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno [3]
El tiempo de residencia de la alimentacioacuten en el reactor es de aproximadamente de 5 a 15
minutos Ademaacutes a la misma vez que va disminuyendo la temperatura en el lecho de
catalizador se va formando una capa de coque en el lecho Para hacer frente al problema del
coque este proceso posee un sistema de regeneracioacuten que emplea aire precalentado para
quemar esta deposicioacuten (a la misma vez aporta el calor necesario para alcanzar la temperatura
deseada) El efluente del reactor se somete a una serie de tratamientos primer lugar la
corriente se enfriacutea en una torre de enfriamiento posteriormente se comprime antes de la
alimentacioacuten al sistema de absorcioacutenstripper En este complejo de absorcioacuten se consigue un
concentrado de C4 para el sistema final de extraccioacuten de butadieno obteniendo una corriente
de producto de butadieno de gran pureza Esta ruta de proceso se trabaja a un rango de
conversioacuten de aproximadamente un 30-40 y un rendimiento total de 60-65
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
Es un sistema que ha reemplazado a muchos procesos antiguos de produccioacuten de butadieno
debido al desarrollo de varios procesos y sistemas de catalizadores de oxideshidrogenacioacuten de
cualquier n-butano o de n-buteno El 1-buteno es mucho maacutes reactivo y requiere condiciones
de operacioacuten menos severas que la de n-butano siendo el empleo de n-butano menos
eficiente Como recomendaciones en la oxideshidrogenacioacuten una mezcla de n-butenos aire y
vapor se hace pasar sobre un lecho de catalizador a baja presioacuten y aproximadamente de 500-
600ordmC El calor de la reaccioacuten exoteacutermica puede ser eliminado indirectamente mediante la
circulacioacuten de sal fundida o por un meacutetodo alternativo que consiste en antildeadir vapor de agua a
la alimentacioacuten (actuando como disipador de calor) En el proceso Oxo-D como se observa en
11
la Figura 9 una mezcla de aire vapor y 1-buteno se hace pasar sobre el catalizador de
deshidrogenacioacuten en un proceso continuo
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos [3]
Como parte final del proceso el efluente del reactor se enfriacutea y como en el sistema anterior
los componentes C4 se recuperan en un absorbedordesgasificadorstripper El aceite como
disolvente fluye desde los fondos del stripper y regresa al absorbedor aunque antes pasa
traveacutes de una zona de purificacioacuten de disolvente Para obtener la corriente de butadieno final
es necesario eliminar la cantidad de disolvente (aceite) por medio de un stripper y un sistema
de purificacioacuten para obtener la corriente final El rango de rendimiento y selectividad puede
variar entre 70-90 lo que hace innecesario recuperar o reciclar material de alimentacioacuten (la
formacioacuten de C02 como reaccioacuten secundaria puede producir la peacuterdida de rendimiento del
proceso)
12
3 Descripcioacuten del proceso
En el estudio de este proyecto y tras analizar cada una de las opciones de trabajo para la
deshidrogenacioacuten de n-butanos se ha decidido seguir un sistema de deshidrogenacioacuten en dos
etapas [13 67]
1) Deshidrogenacioacuten no oxidativa de los n-butanos para obtener n-butenos
2) Deshidrogenacioacuten oxidativa (oxideshidrogenacioacuten) de los n-butenos para producir
butadieno
Como ya se ha dicho con anterioridad existen tres caminos de produccioacuten de butadieno sin
embargo se considera principalmente debido a la necesidad de eficiencia implantar dos fases
distintas de deshidrogenacioacuten La primera fase que corresponde al proceso Catadiene que
consiste en una deshidrogenacioacuten no oxidativa del n-butano mientras que se complementa
con una zona de oxideshidrogenacioacuten de los n-butenos Se ha decidido tomar este sistema
debido a las siguientes razones
o Mayor conversioacuten y selectividad global gracias a la oxideshidrogenacioacuten el aporte de
oxiacutegeno permite eliminar parte de hidrogeno en forma de agua (rendimiento aprox de
65 y una selectividad de 93)
o Oxiacutegeno junto al vapor alimentado disminuye la coquizacioacuten del catalizador
o Bajo consumo de vapor respecto a la deshidrogenacioacuten no oxidativa
o Adicioacuten de oxiacutegeno en la deshidrogenacioacuten de n-butanos genera una gran cantidad de
productos indeseados debido a que a las altas temperaturas requeridas favorece la
reaccioacuten del oxiacutegeno
o Butenos son muchos maacutes reactivos de ahiacute que necesiten condiciones de operacioacuten
menos severas por lo que no es praacutectico la oxideshidrogenacioacuten del n-butano
Este sistema de deshidrogenacioacuten se dividiraacute en tres fases de procesamiento como se observa
en el diagrama de bloques de la Figura 10
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno (6)
13
En primer lugar este medio de produccioacuten parte de una corriente de n-butanos isobutano
propano y un porcentaje de hidrocarburos (C5) la cual necesita ser tratada para obtener una
corriente pura de n-butanos Este sistema presenta un tren de separacioacuten en primer lugar una
columna de destilacioacuten que lo separe en una corriente de n-butano y posteriormente
aprovechar la corriente de isobutanos con un reactor de isomerizacioacuten para generar maacutes n-
butano o como producto final para otros procesos Maacutes adelante en el proyecto se decidiraacute
que se haraacute con el isobutano
Una vez obtenida la corriente de n-butano se alimenta a la zona de deshidrogenacioacuten
encargada de deshidrogenizar para conseguir el butadieno Como ya se ha enunciado se
instalaraacuten dos zonas de deshidrogenacioacuten con condiciones de operacioacuten diferentes La
deshidrogenacioacuten no oxidativa de n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica trabajando
a un rango de temperatura de 600-700ordmC y una presioacuten de 05-8 bar (3) La reaccioacuten principal
en el primer reactor seriacutea la formacioacuten de buteno a traveacutes de la peacuterdida de hidroacutegeno de n-
butano para dar 1-buteno
C4H10 C4H8 (1-buteno) + H2
Para aportar el calor necesario de reaccioacuten se puede quemar in-situ el hidroacutegeno liberado
antildeadiendo una corriente de oxiacutegeno (aire) Suele ser necesario antildeadir hidroacutegeno adicional
externamente para satisfacer totalmente el calor de reaccioacuten
H2 + O2 H2O
Estas reacciones se catalizan selectivamente por catalizadores especializados a este sistema
Los catalizadores se pueden separar en dos partes fundamentales como soporte y composicioacuten
activa En primer lugar el soporte consiste generalmente en un oacutexido resistente al calor u
oacutexido mixto Los oacutexidos empleados preferentemente son los oacutexidos de aluminio oacutexido de
cromo o dioacutexido de silicio La composicioacuten activa de los catalizadores de deshidrogenacioacuten se
comprende generalmente en uno o maacutes metales del grupo de transicioacuten VII de la tabla
perioacutedica preferentemente platino yo paladio En este caso para este reactor se utiliza el
catalizador maacutes comuacuten que es una mezcla de oacutexido de aluminio y oacutexido de cromo Los
catalizadores de deshidrogenacioacuten en su funcioacuten se degeneran con la necesidad de montar un
reactor en paralelo que permita su regeneracioacuten de forma continua Ademaacutes como se observa
14
en el diagrama de bloques de la figura 10 es necesario la aplicacioacuten a estas zonas de
deshidrogenacioacuten de aire a traveacutes del lecho catalizador
Una vez obtenida la corriente de n-butenos se alimenta al segundo reactor con la diferencia
que necesita la alimentacioacuten de oxiacutegeno para la deshidrogenacioacuten oxidativa del 1-buteno La
adiccioacuten de oxigeno permite mejorar la conversioacuten y la selectividad de la deshidrogenacioacuten de
n-buteno eliminando el hidrogeno (7)
2 C4H8 + O2 2 C4H6 + 2 H2O (Reaccioacuten principal)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O (Reaccioacuten secundaria)
Como al igual que la deshidrogenacioacuten no oxidativa para la deshidrogenacioacuten del 1-buteno se
necesita un catalizador preferentemente un sistema de oacutexido multimetaacutelico Mo-Bi-Fe-O En
esta reaccioacuten aparece la formacioacuten de CO2 como reaccioacuten secundaria indeseada a partir del 1-
buteno Una vez obtenida la corriente final de butadieno n-butano no convertido y los demaacutes
co-productos se llevan a un tren de separacioacuten que consta de una columna de destilacioacuten
extractiva con un solvente En primer lugar la columna de destilacioacuten se separa el resto de
hidrocarburos (n-butanos sin reaccionar) por cabeza mientras que el 13-butadieno sale por
fondos Los fondos presentan gran cantidad de disolvente de ahiacute que utilicen una columna de
recuperacioacuten de disolvente para obtener el butadieno final
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
7
Exposicioacuten del consumidor de producto conteniente en butadieno los consumidores
estaacuten expuestos a niveles bajos o no detectables de butadieno (butadieno no se vende
para uso de consumidores) a traveacutes de la ingesta de alimentos que estaban
almacenados en envases contenedores de butadieno
Emisiones al medio ambiente butadieno se libera en el medio ambiente tanto de
fuentes industriales y no industriales Ante cualquier emisioacuten el sistema de control se
centra en evitar cualquier probabilidad de incendio y controlar los derrames
reduciendo la contaminacioacuten de aire suelo y aguas superficiales o subterraacuteneas Su
alta presioacuten de vapor y la insolubilidad de agua hace que se acumule en el aire creando
un riesgo en la inhalacioacuten (de ahiacute es necesario proteccioacuten de las viacuteas respiratoria ante
cualquier derrame o fuga)
Riesgo para la salud
Contacto con los ojos butadieno liacutequido puede causar la congelacioacuten si entra en
contacto con los ojos y se evapora raacutepidamente Los vapores de butadieno pueden
causar irritacioacuten en los ojos causando incomodidad y enrojecimiento
Contacto con la piel butadieno no es irritante para la piel aunque el butadieno liacutequido
puede causar congelacioacuten si entra en contacto con la piel
Ingestioacuten es poco probable ya que el material es un gas a temperatura y presioacuten
ambiente Aunque el contacto con butadieno liacutequido podriacutea dar lugar a la congelacioacuten
de los labios
Inhalacioacuten zonas cerradas o poco ventilados los vapores de butadieno se pueden
acumular y causar inconsciencia y la muerte Las exposiciones excesivas pueden causar
irritacioacuten en el sistema respiratorio superior (nariz y garganta) o efectos en el sistema
nervioso central Los siacutentomas pueden incluir efectos anesteacutesicos o narcoacuteticos como
mareo o somnolencia
Exposicioacuten repetida exposiciones excesivas repetidas se han reportado efectos en los
rintildeones el hiacutegado los ovarios las viacuteas respiratorias y los testiacuteculos La exposicioacuten
excesiva puede causar dantildeo a los oacuterganos hematopoyeacuteticos (medula oacutesea y bazo)
Carcinogenecidad el butadieno aparece como un carcinoacutegeno humano por la Agencia
Internacional para la Investigacioacuten sobre el Caacutencer
24 Procesos comerciales de butadieno
La produccioacuten de butadieno desde su descubrimiento a traveacutes de la piroacutelisis de materiales
orgaacutenicos ha sido desarrollada a la misma vez que la industria petroquiacutemica En primer lugar
8
el butadieno era generado a partir del acetileno asiacute como del etanol No obstante la
importancia de estos procesos ha disminuido debido a la creciente produccioacuten de butadieno a
partir del petroacuteleo Se han desarrollado tres sistemas de produccioacuten a traveacutes de esta fuente
[1 24]
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
Es el camino maacutes utilizado para la produccioacuten de butadieno en paiacuteses como Estados Unidos
Oeste de Europa y Japoacuten representando aproximadamente el 91 del suministro mundial de
butadieno En este caso no existe una materia prima principal sino que tanto etano propano
butano nafta y gasoacuteleo se alimentan a una pirolisis (craqueo al vapor) de horno donde
combinado con vapor de agua alcanza temperaturas de entre aproximadamente 790-830ordmC
En este rango de temperatura los enlaces C-C y C-H se rompen produciendo hidrogeno
etileno propileno butadieno benceno tolueno y otros co-productos olefiacutenicos importantes
Despueacutes de la pirolisis se enfriacutea el resto de la planta separa los productos deseados en
distintos cortes de acuerdo a las especificaciones impuestas a cada uno de ellos A
continuacioacuten se aprecia en la Figura 6 un ejemplo de los distintos rendimientos de butadieno
respecto a distintas materias primas
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas [3]
La corriente de producto de butadieno crudo final alcanza concentraciones de hasta
aproximadamente un 75 en peso (esta concentracioacuten puede variar en funcioacuten de reciclo en el
sistema)
Como se puede distinguir en la liacutenea roja de la Figura 7 el butadieno experimenta una serie de
tratamientos posterior a su piroacutelisis como enfriamiento compresioacuten lavado secado y
finalmente un proceso de extraccioacuten para obtener la corriente final de butadieno
9
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking [3]
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
Esta deshidrogenacioacuten constituye parte principal del proceso y se constituye en dos etapas de
trabajo primero convirtiendo n-butano a n-butenos y luego a butadieno (etapas
endoteacutermicas) Estas zonas presentan ademaacutes de los reactores principales (trabajando
aproximadamente en rangos de P absoluta de 12-15 cmHg y T de 600-680ordmC) dos reactores
instalados de forma continua Se pueden apreciar en la Figura 8 el segundo reactor se
utilizariacutea para la regeneracioacuten de catalizador mientras que el tercer reactor es el encargado de
purgar antes de que empiece la regeneracioacuten (de esta manera se comporta como un sistema
continua de produccioacuten)
10
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno [3]
El tiempo de residencia de la alimentacioacuten en el reactor es de aproximadamente de 5 a 15
minutos Ademaacutes a la misma vez que va disminuyendo la temperatura en el lecho de
catalizador se va formando una capa de coque en el lecho Para hacer frente al problema del
coque este proceso posee un sistema de regeneracioacuten que emplea aire precalentado para
quemar esta deposicioacuten (a la misma vez aporta el calor necesario para alcanzar la temperatura
deseada) El efluente del reactor se somete a una serie de tratamientos primer lugar la
corriente se enfriacutea en una torre de enfriamiento posteriormente se comprime antes de la
alimentacioacuten al sistema de absorcioacutenstripper En este complejo de absorcioacuten se consigue un
concentrado de C4 para el sistema final de extraccioacuten de butadieno obteniendo una corriente
de producto de butadieno de gran pureza Esta ruta de proceso se trabaja a un rango de
conversioacuten de aproximadamente un 30-40 y un rendimiento total de 60-65
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
Es un sistema que ha reemplazado a muchos procesos antiguos de produccioacuten de butadieno
debido al desarrollo de varios procesos y sistemas de catalizadores de oxideshidrogenacioacuten de
cualquier n-butano o de n-buteno El 1-buteno es mucho maacutes reactivo y requiere condiciones
de operacioacuten menos severas que la de n-butano siendo el empleo de n-butano menos
eficiente Como recomendaciones en la oxideshidrogenacioacuten una mezcla de n-butenos aire y
vapor se hace pasar sobre un lecho de catalizador a baja presioacuten y aproximadamente de 500-
600ordmC El calor de la reaccioacuten exoteacutermica puede ser eliminado indirectamente mediante la
circulacioacuten de sal fundida o por un meacutetodo alternativo que consiste en antildeadir vapor de agua a
la alimentacioacuten (actuando como disipador de calor) En el proceso Oxo-D como se observa en
11
la Figura 9 una mezcla de aire vapor y 1-buteno se hace pasar sobre el catalizador de
deshidrogenacioacuten en un proceso continuo
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos [3]
Como parte final del proceso el efluente del reactor se enfriacutea y como en el sistema anterior
los componentes C4 se recuperan en un absorbedordesgasificadorstripper El aceite como
disolvente fluye desde los fondos del stripper y regresa al absorbedor aunque antes pasa
traveacutes de una zona de purificacioacuten de disolvente Para obtener la corriente de butadieno final
es necesario eliminar la cantidad de disolvente (aceite) por medio de un stripper y un sistema
de purificacioacuten para obtener la corriente final El rango de rendimiento y selectividad puede
variar entre 70-90 lo que hace innecesario recuperar o reciclar material de alimentacioacuten (la
formacioacuten de C02 como reaccioacuten secundaria puede producir la peacuterdida de rendimiento del
proceso)
12
3 Descripcioacuten del proceso
En el estudio de este proyecto y tras analizar cada una de las opciones de trabajo para la
deshidrogenacioacuten de n-butanos se ha decidido seguir un sistema de deshidrogenacioacuten en dos
etapas [13 67]
1) Deshidrogenacioacuten no oxidativa de los n-butanos para obtener n-butenos
2) Deshidrogenacioacuten oxidativa (oxideshidrogenacioacuten) de los n-butenos para producir
butadieno
Como ya se ha dicho con anterioridad existen tres caminos de produccioacuten de butadieno sin
embargo se considera principalmente debido a la necesidad de eficiencia implantar dos fases
distintas de deshidrogenacioacuten La primera fase que corresponde al proceso Catadiene que
consiste en una deshidrogenacioacuten no oxidativa del n-butano mientras que se complementa
con una zona de oxideshidrogenacioacuten de los n-butenos Se ha decidido tomar este sistema
debido a las siguientes razones
o Mayor conversioacuten y selectividad global gracias a la oxideshidrogenacioacuten el aporte de
oxiacutegeno permite eliminar parte de hidrogeno en forma de agua (rendimiento aprox de
65 y una selectividad de 93)
o Oxiacutegeno junto al vapor alimentado disminuye la coquizacioacuten del catalizador
o Bajo consumo de vapor respecto a la deshidrogenacioacuten no oxidativa
o Adicioacuten de oxiacutegeno en la deshidrogenacioacuten de n-butanos genera una gran cantidad de
productos indeseados debido a que a las altas temperaturas requeridas favorece la
reaccioacuten del oxiacutegeno
o Butenos son muchos maacutes reactivos de ahiacute que necesiten condiciones de operacioacuten
menos severas por lo que no es praacutectico la oxideshidrogenacioacuten del n-butano
Este sistema de deshidrogenacioacuten se dividiraacute en tres fases de procesamiento como se observa
en el diagrama de bloques de la Figura 10
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno (6)
13
En primer lugar este medio de produccioacuten parte de una corriente de n-butanos isobutano
propano y un porcentaje de hidrocarburos (C5) la cual necesita ser tratada para obtener una
corriente pura de n-butanos Este sistema presenta un tren de separacioacuten en primer lugar una
columna de destilacioacuten que lo separe en una corriente de n-butano y posteriormente
aprovechar la corriente de isobutanos con un reactor de isomerizacioacuten para generar maacutes n-
butano o como producto final para otros procesos Maacutes adelante en el proyecto se decidiraacute
que se haraacute con el isobutano
Una vez obtenida la corriente de n-butano se alimenta a la zona de deshidrogenacioacuten
encargada de deshidrogenizar para conseguir el butadieno Como ya se ha enunciado se
instalaraacuten dos zonas de deshidrogenacioacuten con condiciones de operacioacuten diferentes La
deshidrogenacioacuten no oxidativa de n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica trabajando
a un rango de temperatura de 600-700ordmC y una presioacuten de 05-8 bar (3) La reaccioacuten principal
en el primer reactor seriacutea la formacioacuten de buteno a traveacutes de la peacuterdida de hidroacutegeno de n-
butano para dar 1-buteno
C4H10 C4H8 (1-buteno) + H2
Para aportar el calor necesario de reaccioacuten se puede quemar in-situ el hidroacutegeno liberado
antildeadiendo una corriente de oxiacutegeno (aire) Suele ser necesario antildeadir hidroacutegeno adicional
externamente para satisfacer totalmente el calor de reaccioacuten
H2 + O2 H2O
Estas reacciones se catalizan selectivamente por catalizadores especializados a este sistema
Los catalizadores se pueden separar en dos partes fundamentales como soporte y composicioacuten
activa En primer lugar el soporte consiste generalmente en un oacutexido resistente al calor u
oacutexido mixto Los oacutexidos empleados preferentemente son los oacutexidos de aluminio oacutexido de
cromo o dioacutexido de silicio La composicioacuten activa de los catalizadores de deshidrogenacioacuten se
comprende generalmente en uno o maacutes metales del grupo de transicioacuten VII de la tabla
perioacutedica preferentemente platino yo paladio En este caso para este reactor se utiliza el
catalizador maacutes comuacuten que es una mezcla de oacutexido de aluminio y oacutexido de cromo Los
catalizadores de deshidrogenacioacuten en su funcioacuten se degeneran con la necesidad de montar un
reactor en paralelo que permita su regeneracioacuten de forma continua Ademaacutes como se observa
14
en el diagrama de bloques de la figura 10 es necesario la aplicacioacuten a estas zonas de
deshidrogenacioacuten de aire a traveacutes del lecho catalizador
Una vez obtenida la corriente de n-butenos se alimenta al segundo reactor con la diferencia
que necesita la alimentacioacuten de oxiacutegeno para la deshidrogenacioacuten oxidativa del 1-buteno La
adiccioacuten de oxigeno permite mejorar la conversioacuten y la selectividad de la deshidrogenacioacuten de
n-buteno eliminando el hidrogeno (7)
2 C4H8 + O2 2 C4H6 + 2 H2O (Reaccioacuten principal)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O (Reaccioacuten secundaria)
Como al igual que la deshidrogenacioacuten no oxidativa para la deshidrogenacioacuten del 1-buteno se
necesita un catalizador preferentemente un sistema de oacutexido multimetaacutelico Mo-Bi-Fe-O En
esta reaccioacuten aparece la formacioacuten de CO2 como reaccioacuten secundaria indeseada a partir del 1-
buteno Una vez obtenida la corriente final de butadieno n-butano no convertido y los demaacutes
co-productos se llevan a un tren de separacioacuten que consta de una columna de destilacioacuten
extractiva con un solvente En primer lugar la columna de destilacioacuten se separa el resto de
hidrocarburos (n-butanos sin reaccionar) por cabeza mientras que el 13-butadieno sale por
fondos Los fondos presentan gran cantidad de disolvente de ahiacute que utilicen una columna de
recuperacioacuten de disolvente para obtener el butadieno final
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
8
el butadieno era generado a partir del acetileno asiacute como del etanol No obstante la
importancia de estos procesos ha disminuido debido a la creciente produccioacuten de butadieno a
partir del petroacuteleo Se han desarrollado tres sistemas de produccioacuten a traveacutes de esta fuente
[1 24]
241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
Es el camino maacutes utilizado para la produccioacuten de butadieno en paiacuteses como Estados Unidos
Oeste de Europa y Japoacuten representando aproximadamente el 91 del suministro mundial de
butadieno En este caso no existe una materia prima principal sino que tanto etano propano
butano nafta y gasoacuteleo se alimentan a una pirolisis (craqueo al vapor) de horno donde
combinado con vapor de agua alcanza temperaturas de entre aproximadamente 790-830ordmC
En este rango de temperatura los enlaces C-C y C-H se rompen produciendo hidrogeno
etileno propileno butadieno benceno tolueno y otros co-productos olefiacutenicos importantes
Despueacutes de la pirolisis se enfriacutea el resto de la planta separa los productos deseados en
distintos cortes de acuerdo a las especificaciones impuestas a cada uno de ellos A
continuacioacuten se aprecia en la Figura 6 un ejemplo de los distintos rendimientos de butadieno
respecto a distintas materias primas
Figura 6 Distribucioacuten de producto del craqueo de vapor para varias materias primas [3]
La corriente de producto de butadieno crudo final alcanza concentraciones de hasta
aproximadamente un 75 en peso (esta concentracioacuten puede variar en funcioacuten de reciclo en el
sistema)
Como se puede distinguir en la liacutenea roja de la Figura 7 el butadieno experimenta una serie de
tratamientos posterior a su piroacutelisis como enfriamiento compresioacuten lavado secado y
finalmente un proceso de extraccioacuten para obtener la corriente final de butadieno
9
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking [3]
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
Esta deshidrogenacioacuten constituye parte principal del proceso y se constituye en dos etapas de
trabajo primero convirtiendo n-butano a n-butenos y luego a butadieno (etapas
endoteacutermicas) Estas zonas presentan ademaacutes de los reactores principales (trabajando
aproximadamente en rangos de P absoluta de 12-15 cmHg y T de 600-680ordmC) dos reactores
instalados de forma continua Se pueden apreciar en la Figura 8 el segundo reactor se
utilizariacutea para la regeneracioacuten de catalizador mientras que el tercer reactor es el encargado de
purgar antes de que empiece la regeneracioacuten (de esta manera se comporta como un sistema
continua de produccioacuten)
10
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno [3]
El tiempo de residencia de la alimentacioacuten en el reactor es de aproximadamente de 5 a 15
minutos Ademaacutes a la misma vez que va disminuyendo la temperatura en el lecho de
catalizador se va formando una capa de coque en el lecho Para hacer frente al problema del
coque este proceso posee un sistema de regeneracioacuten que emplea aire precalentado para
quemar esta deposicioacuten (a la misma vez aporta el calor necesario para alcanzar la temperatura
deseada) El efluente del reactor se somete a una serie de tratamientos primer lugar la
corriente se enfriacutea en una torre de enfriamiento posteriormente se comprime antes de la
alimentacioacuten al sistema de absorcioacutenstripper En este complejo de absorcioacuten se consigue un
concentrado de C4 para el sistema final de extraccioacuten de butadieno obteniendo una corriente
de producto de butadieno de gran pureza Esta ruta de proceso se trabaja a un rango de
conversioacuten de aproximadamente un 30-40 y un rendimiento total de 60-65
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
Es un sistema que ha reemplazado a muchos procesos antiguos de produccioacuten de butadieno
debido al desarrollo de varios procesos y sistemas de catalizadores de oxideshidrogenacioacuten de
cualquier n-butano o de n-buteno El 1-buteno es mucho maacutes reactivo y requiere condiciones
de operacioacuten menos severas que la de n-butano siendo el empleo de n-butano menos
eficiente Como recomendaciones en la oxideshidrogenacioacuten una mezcla de n-butenos aire y
vapor se hace pasar sobre un lecho de catalizador a baja presioacuten y aproximadamente de 500-
600ordmC El calor de la reaccioacuten exoteacutermica puede ser eliminado indirectamente mediante la
circulacioacuten de sal fundida o por un meacutetodo alternativo que consiste en antildeadir vapor de agua a
la alimentacioacuten (actuando como disipador de calor) En el proceso Oxo-D como se observa en
11
la Figura 9 una mezcla de aire vapor y 1-buteno se hace pasar sobre el catalizador de
deshidrogenacioacuten en un proceso continuo
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos [3]
Como parte final del proceso el efluente del reactor se enfriacutea y como en el sistema anterior
los componentes C4 se recuperan en un absorbedordesgasificadorstripper El aceite como
disolvente fluye desde los fondos del stripper y regresa al absorbedor aunque antes pasa
traveacutes de una zona de purificacioacuten de disolvente Para obtener la corriente de butadieno final
es necesario eliminar la cantidad de disolvente (aceite) por medio de un stripper y un sistema
de purificacioacuten para obtener la corriente final El rango de rendimiento y selectividad puede
variar entre 70-90 lo que hace innecesario recuperar o reciclar material de alimentacioacuten (la
formacioacuten de C02 como reaccioacuten secundaria puede producir la peacuterdida de rendimiento del
proceso)
12
3 Descripcioacuten del proceso
En el estudio de este proyecto y tras analizar cada una de las opciones de trabajo para la
deshidrogenacioacuten de n-butanos se ha decidido seguir un sistema de deshidrogenacioacuten en dos
etapas [13 67]
1) Deshidrogenacioacuten no oxidativa de los n-butanos para obtener n-butenos
2) Deshidrogenacioacuten oxidativa (oxideshidrogenacioacuten) de los n-butenos para producir
butadieno
Como ya se ha dicho con anterioridad existen tres caminos de produccioacuten de butadieno sin
embargo se considera principalmente debido a la necesidad de eficiencia implantar dos fases
distintas de deshidrogenacioacuten La primera fase que corresponde al proceso Catadiene que
consiste en una deshidrogenacioacuten no oxidativa del n-butano mientras que se complementa
con una zona de oxideshidrogenacioacuten de los n-butenos Se ha decidido tomar este sistema
debido a las siguientes razones
o Mayor conversioacuten y selectividad global gracias a la oxideshidrogenacioacuten el aporte de
oxiacutegeno permite eliminar parte de hidrogeno en forma de agua (rendimiento aprox de
65 y una selectividad de 93)
o Oxiacutegeno junto al vapor alimentado disminuye la coquizacioacuten del catalizador
o Bajo consumo de vapor respecto a la deshidrogenacioacuten no oxidativa
o Adicioacuten de oxiacutegeno en la deshidrogenacioacuten de n-butanos genera una gran cantidad de
productos indeseados debido a que a las altas temperaturas requeridas favorece la
reaccioacuten del oxiacutegeno
o Butenos son muchos maacutes reactivos de ahiacute que necesiten condiciones de operacioacuten
menos severas por lo que no es praacutectico la oxideshidrogenacioacuten del n-butano
Este sistema de deshidrogenacioacuten se dividiraacute en tres fases de procesamiento como se observa
en el diagrama de bloques de la Figura 10
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno (6)
13
En primer lugar este medio de produccioacuten parte de una corriente de n-butanos isobutano
propano y un porcentaje de hidrocarburos (C5) la cual necesita ser tratada para obtener una
corriente pura de n-butanos Este sistema presenta un tren de separacioacuten en primer lugar una
columna de destilacioacuten que lo separe en una corriente de n-butano y posteriormente
aprovechar la corriente de isobutanos con un reactor de isomerizacioacuten para generar maacutes n-
butano o como producto final para otros procesos Maacutes adelante en el proyecto se decidiraacute
que se haraacute con el isobutano
Una vez obtenida la corriente de n-butano se alimenta a la zona de deshidrogenacioacuten
encargada de deshidrogenizar para conseguir el butadieno Como ya se ha enunciado se
instalaraacuten dos zonas de deshidrogenacioacuten con condiciones de operacioacuten diferentes La
deshidrogenacioacuten no oxidativa de n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica trabajando
a un rango de temperatura de 600-700ordmC y una presioacuten de 05-8 bar (3) La reaccioacuten principal
en el primer reactor seriacutea la formacioacuten de buteno a traveacutes de la peacuterdida de hidroacutegeno de n-
butano para dar 1-buteno
C4H10 C4H8 (1-buteno) + H2
Para aportar el calor necesario de reaccioacuten se puede quemar in-situ el hidroacutegeno liberado
antildeadiendo una corriente de oxiacutegeno (aire) Suele ser necesario antildeadir hidroacutegeno adicional
externamente para satisfacer totalmente el calor de reaccioacuten
H2 + O2 H2O
Estas reacciones se catalizan selectivamente por catalizadores especializados a este sistema
Los catalizadores se pueden separar en dos partes fundamentales como soporte y composicioacuten
activa En primer lugar el soporte consiste generalmente en un oacutexido resistente al calor u
oacutexido mixto Los oacutexidos empleados preferentemente son los oacutexidos de aluminio oacutexido de
cromo o dioacutexido de silicio La composicioacuten activa de los catalizadores de deshidrogenacioacuten se
comprende generalmente en uno o maacutes metales del grupo de transicioacuten VII de la tabla
perioacutedica preferentemente platino yo paladio En este caso para este reactor se utiliza el
catalizador maacutes comuacuten que es una mezcla de oacutexido de aluminio y oacutexido de cromo Los
catalizadores de deshidrogenacioacuten en su funcioacuten se degeneran con la necesidad de montar un
reactor en paralelo que permita su regeneracioacuten de forma continua Ademaacutes como se observa
14
en el diagrama de bloques de la figura 10 es necesario la aplicacioacuten a estas zonas de
deshidrogenacioacuten de aire a traveacutes del lecho catalizador
Una vez obtenida la corriente de n-butenos se alimenta al segundo reactor con la diferencia
que necesita la alimentacioacuten de oxiacutegeno para la deshidrogenacioacuten oxidativa del 1-buteno La
adiccioacuten de oxigeno permite mejorar la conversioacuten y la selectividad de la deshidrogenacioacuten de
n-buteno eliminando el hidrogeno (7)
2 C4H8 + O2 2 C4H6 + 2 H2O (Reaccioacuten principal)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O (Reaccioacuten secundaria)
Como al igual que la deshidrogenacioacuten no oxidativa para la deshidrogenacioacuten del 1-buteno se
necesita un catalizador preferentemente un sistema de oacutexido multimetaacutelico Mo-Bi-Fe-O En
esta reaccioacuten aparece la formacioacuten de CO2 como reaccioacuten secundaria indeseada a partir del 1-
buteno Una vez obtenida la corriente final de butadieno n-butano no convertido y los demaacutes
co-productos se llevan a un tren de separacioacuten que consta de una columna de destilacioacuten
extractiva con un solvente En primer lugar la columna de destilacioacuten se separa el resto de
hidrocarburos (n-butanos sin reaccionar) por cabeza mientras que el 13-butadieno sale por
fondos Los fondos presentan gran cantidad de disolvente de ahiacute que utilicen una columna de
recuperacioacuten de disolvente para obtener el butadieno final
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
9
Figura 7 Diagrama de produccioacuten de butadieno a traveacutes del Stream Cracking [3]
242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
Esta deshidrogenacioacuten constituye parte principal del proceso y se constituye en dos etapas de
trabajo primero convirtiendo n-butano a n-butenos y luego a butadieno (etapas
endoteacutermicas) Estas zonas presentan ademaacutes de los reactores principales (trabajando
aproximadamente en rangos de P absoluta de 12-15 cmHg y T de 600-680ordmC) dos reactores
instalados de forma continua Se pueden apreciar en la Figura 8 el segundo reactor se
utilizariacutea para la regeneracioacuten de catalizador mientras que el tercer reactor es el encargado de
purgar antes de que empiece la regeneracioacuten (de esta manera se comporta como un sistema
continua de produccioacuten)
10
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno [3]
El tiempo de residencia de la alimentacioacuten en el reactor es de aproximadamente de 5 a 15
minutos Ademaacutes a la misma vez que va disminuyendo la temperatura en el lecho de
catalizador se va formando una capa de coque en el lecho Para hacer frente al problema del
coque este proceso posee un sistema de regeneracioacuten que emplea aire precalentado para
quemar esta deposicioacuten (a la misma vez aporta el calor necesario para alcanzar la temperatura
deseada) El efluente del reactor se somete a una serie de tratamientos primer lugar la
corriente se enfriacutea en una torre de enfriamiento posteriormente se comprime antes de la
alimentacioacuten al sistema de absorcioacutenstripper En este complejo de absorcioacuten se consigue un
concentrado de C4 para el sistema final de extraccioacuten de butadieno obteniendo una corriente
de producto de butadieno de gran pureza Esta ruta de proceso se trabaja a un rango de
conversioacuten de aproximadamente un 30-40 y un rendimiento total de 60-65
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
Es un sistema que ha reemplazado a muchos procesos antiguos de produccioacuten de butadieno
debido al desarrollo de varios procesos y sistemas de catalizadores de oxideshidrogenacioacuten de
cualquier n-butano o de n-buteno El 1-buteno es mucho maacutes reactivo y requiere condiciones
de operacioacuten menos severas que la de n-butano siendo el empleo de n-butano menos
eficiente Como recomendaciones en la oxideshidrogenacioacuten una mezcla de n-butenos aire y
vapor se hace pasar sobre un lecho de catalizador a baja presioacuten y aproximadamente de 500-
600ordmC El calor de la reaccioacuten exoteacutermica puede ser eliminado indirectamente mediante la
circulacioacuten de sal fundida o por un meacutetodo alternativo que consiste en antildeadir vapor de agua a
la alimentacioacuten (actuando como disipador de calor) En el proceso Oxo-D como se observa en
11
la Figura 9 una mezcla de aire vapor y 1-buteno se hace pasar sobre el catalizador de
deshidrogenacioacuten en un proceso continuo
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos [3]
Como parte final del proceso el efluente del reactor se enfriacutea y como en el sistema anterior
los componentes C4 se recuperan en un absorbedordesgasificadorstripper El aceite como
disolvente fluye desde los fondos del stripper y regresa al absorbedor aunque antes pasa
traveacutes de una zona de purificacioacuten de disolvente Para obtener la corriente de butadieno final
es necesario eliminar la cantidad de disolvente (aceite) por medio de un stripper y un sistema
de purificacioacuten para obtener la corriente final El rango de rendimiento y selectividad puede
variar entre 70-90 lo que hace innecesario recuperar o reciclar material de alimentacioacuten (la
formacioacuten de C02 como reaccioacuten secundaria puede producir la peacuterdida de rendimiento del
proceso)
12
3 Descripcioacuten del proceso
En el estudio de este proyecto y tras analizar cada una de las opciones de trabajo para la
deshidrogenacioacuten de n-butanos se ha decidido seguir un sistema de deshidrogenacioacuten en dos
etapas [13 67]
1) Deshidrogenacioacuten no oxidativa de los n-butanos para obtener n-butenos
2) Deshidrogenacioacuten oxidativa (oxideshidrogenacioacuten) de los n-butenos para producir
butadieno
Como ya se ha dicho con anterioridad existen tres caminos de produccioacuten de butadieno sin
embargo se considera principalmente debido a la necesidad de eficiencia implantar dos fases
distintas de deshidrogenacioacuten La primera fase que corresponde al proceso Catadiene que
consiste en una deshidrogenacioacuten no oxidativa del n-butano mientras que se complementa
con una zona de oxideshidrogenacioacuten de los n-butenos Se ha decidido tomar este sistema
debido a las siguientes razones
o Mayor conversioacuten y selectividad global gracias a la oxideshidrogenacioacuten el aporte de
oxiacutegeno permite eliminar parte de hidrogeno en forma de agua (rendimiento aprox de
65 y una selectividad de 93)
o Oxiacutegeno junto al vapor alimentado disminuye la coquizacioacuten del catalizador
o Bajo consumo de vapor respecto a la deshidrogenacioacuten no oxidativa
o Adicioacuten de oxiacutegeno en la deshidrogenacioacuten de n-butanos genera una gran cantidad de
productos indeseados debido a que a las altas temperaturas requeridas favorece la
reaccioacuten del oxiacutegeno
o Butenos son muchos maacutes reactivos de ahiacute que necesiten condiciones de operacioacuten
menos severas por lo que no es praacutectico la oxideshidrogenacioacuten del n-butano
Este sistema de deshidrogenacioacuten se dividiraacute en tres fases de procesamiento como se observa
en el diagrama de bloques de la Figura 10
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno (6)
13
En primer lugar este medio de produccioacuten parte de una corriente de n-butanos isobutano
propano y un porcentaje de hidrocarburos (C5) la cual necesita ser tratada para obtener una
corriente pura de n-butanos Este sistema presenta un tren de separacioacuten en primer lugar una
columna de destilacioacuten que lo separe en una corriente de n-butano y posteriormente
aprovechar la corriente de isobutanos con un reactor de isomerizacioacuten para generar maacutes n-
butano o como producto final para otros procesos Maacutes adelante en el proyecto se decidiraacute
que se haraacute con el isobutano
Una vez obtenida la corriente de n-butano se alimenta a la zona de deshidrogenacioacuten
encargada de deshidrogenizar para conseguir el butadieno Como ya se ha enunciado se
instalaraacuten dos zonas de deshidrogenacioacuten con condiciones de operacioacuten diferentes La
deshidrogenacioacuten no oxidativa de n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica trabajando
a un rango de temperatura de 600-700ordmC y una presioacuten de 05-8 bar (3) La reaccioacuten principal
en el primer reactor seriacutea la formacioacuten de buteno a traveacutes de la peacuterdida de hidroacutegeno de n-
butano para dar 1-buteno
C4H10 C4H8 (1-buteno) + H2
Para aportar el calor necesario de reaccioacuten se puede quemar in-situ el hidroacutegeno liberado
antildeadiendo una corriente de oxiacutegeno (aire) Suele ser necesario antildeadir hidroacutegeno adicional
externamente para satisfacer totalmente el calor de reaccioacuten
H2 + O2 H2O
Estas reacciones se catalizan selectivamente por catalizadores especializados a este sistema
Los catalizadores se pueden separar en dos partes fundamentales como soporte y composicioacuten
activa En primer lugar el soporte consiste generalmente en un oacutexido resistente al calor u
oacutexido mixto Los oacutexidos empleados preferentemente son los oacutexidos de aluminio oacutexido de
cromo o dioacutexido de silicio La composicioacuten activa de los catalizadores de deshidrogenacioacuten se
comprende generalmente en uno o maacutes metales del grupo de transicioacuten VII de la tabla
perioacutedica preferentemente platino yo paladio En este caso para este reactor se utiliza el
catalizador maacutes comuacuten que es una mezcla de oacutexido de aluminio y oacutexido de cromo Los
catalizadores de deshidrogenacioacuten en su funcioacuten se degeneran con la necesidad de montar un
reactor en paralelo que permita su regeneracioacuten de forma continua Ademaacutes como se observa
14
en el diagrama de bloques de la figura 10 es necesario la aplicacioacuten a estas zonas de
deshidrogenacioacuten de aire a traveacutes del lecho catalizador
Una vez obtenida la corriente de n-butenos se alimenta al segundo reactor con la diferencia
que necesita la alimentacioacuten de oxiacutegeno para la deshidrogenacioacuten oxidativa del 1-buteno La
adiccioacuten de oxigeno permite mejorar la conversioacuten y la selectividad de la deshidrogenacioacuten de
n-buteno eliminando el hidrogeno (7)
2 C4H8 + O2 2 C4H6 + 2 H2O (Reaccioacuten principal)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O (Reaccioacuten secundaria)
Como al igual que la deshidrogenacioacuten no oxidativa para la deshidrogenacioacuten del 1-buteno se
necesita un catalizador preferentemente un sistema de oacutexido multimetaacutelico Mo-Bi-Fe-O En
esta reaccioacuten aparece la formacioacuten de CO2 como reaccioacuten secundaria indeseada a partir del 1-
buteno Una vez obtenida la corriente final de butadieno n-butano no convertido y los demaacutes
co-productos se llevan a un tren de separacioacuten que consta de una columna de destilacioacuten
extractiva con un solvente En primer lugar la columna de destilacioacuten se separa el resto de
hidrocarburos (n-butanos sin reaccionar) por cabeza mientras que el 13-butadieno sale por
fondos Los fondos presentan gran cantidad de disolvente de ahiacute que utilicen una columna de
recuperacioacuten de disolvente para obtener el butadieno final
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
10
Figura 8 Diagrama de deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno [3]
El tiempo de residencia de la alimentacioacuten en el reactor es de aproximadamente de 5 a 15
minutos Ademaacutes a la misma vez que va disminuyendo la temperatura en el lecho de
catalizador se va formando una capa de coque en el lecho Para hacer frente al problema del
coque este proceso posee un sistema de regeneracioacuten que emplea aire precalentado para
quemar esta deposicioacuten (a la misma vez aporta el calor necesario para alcanzar la temperatura
deseada) El efluente del reactor se somete a una serie de tratamientos primer lugar la
corriente se enfriacutea en una torre de enfriamiento posteriormente se comprime antes de la
alimentacioacuten al sistema de absorcioacutenstripper En este complejo de absorcioacuten se consigue un
concentrado de C4 para el sistema final de extraccioacuten de butadieno obteniendo una corriente
de producto de butadieno de gran pureza Esta ruta de proceso se trabaja a un rango de
conversioacuten de aproximadamente un 30-40 y un rendimiento total de 60-65
243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
Es un sistema que ha reemplazado a muchos procesos antiguos de produccioacuten de butadieno
debido al desarrollo de varios procesos y sistemas de catalizadores de oxideshidrogenacioacuten de
cualquier n-butano o de n-buteno El 1-buteno es mucho maacutes reactivo y requiere condiciones
de operacioacuten menos severas que la de n-butano siendo el empleo de n-butano menos
eficiente Como recomendaciones en la oxideshidrogenacioacuten una mezcla de n-butenos aire y
vapor se hace pasar sobre un lecho de catalizador a baja presioacuten y aproximadamente de 500-
600ordmC El calor de la reaccioacuten exoteacutermica puede ser eliminado indirectamente mediante la
circulacioacuten de sal fundida o por un meacutetodo alternativo que consiste en antildeadir vapor de agua a
la alimentacioacuten (actuando como disipador de calor) En el proceso Oxo-D como se observa en
11
la Figura 9 una mezcla de aire vapor y 1-buteno se hace pasar sobre el catalizador de
deshidrogenacioacuten en un proceso continuo
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos [3]
Como parte final del proceso el efluente del reactor se enfriacutea y como en el sistema anterior
los componentes C4 se recuperan en un absorbedordesgasificadorstripper El aceite como
disolvente fluye desde los fondos del stripper y regresa al absorbedor aunque antes pasa
traveacutes de una zona de purificacioacuten de disolvente Para obtener la corriente de butadieno final
es necesario eliminar la cantidad de disolvente (aceite) por medio de un stripper y un sistema
de purificacioacuten para obtener la corriente final El rango de rendimiento y selectividad puede
variar entre 70-90 lo que hace innecesario recuperar o reciclar material de alimentacioacuten (la
formacioacuten de C02 como reaccioacuten secundaria puede producir la peacuterdida de rendimiento del
proceso)
12
3 Descripcioacuten del proceso
En el estudio de este proyecto y tras analizar cada una de las opciones de trabajo para la
deshidrogenacioacuten de n-butanos se ha decidido seguir un sistema de deshidrogenacioacuten en dos
etapas [13 67]
1) Deshidrogenacioacuten no oxidativa de los n-butanos para obtener n-butenos
2) Deshidrogenacioacuten oxidativa (oxideshidrogenacioacuten) de los n-butenos para producir
butadieno
Como ya se ha dicho con anterioridad existen tres caminos de produccioacuten de butadieno sin
embargo se considera principalmente debido a la necesidad de eficiencia implantar dos fases
distintas de deshidrogenacioacuten La primera fase que corresponde al proceso Catadiene que
consiste en una deshidrogenacioacuten no oxidativa del n-butano mientras que se complementa
con una zona de oxideshidrogenacioacuten de los n-butenos Se ha decidido tomar este sistema
debido a las siguientes razones
o Mayor conversioacuten y selectividad global gracias a la oxideshidrogenacioacuten el aporte de
oxiacutegeno permite eliminar parte de hidrogeno en forma de agua (rendimiento aprox de
65 y una selectividad de 93)
o Oxiacutegeno junto al vapor alimentado disminuye la coquizacioacuten del catalizador
o Bajo consumo de vapor respecto a la deshidrogenacioacuten no oxidativa
o Adicioacuten de oxiacutegeno en la deshidrogenacioacuten de n-butanos genera una gran cantidad de
productos indeseados debido a que a las altas temperaturas requeridas favorece la
reaccioacuten del oxiacutegeno
o Butenos son muchos maacutes reactivos de ahiacute que necesiten condiciones de operacioacuten
menos severas por lo que no es praacutectico la oxideshidrogenacioacuten del n-butano
Este sistema de deshidrogenacioacuten se dividiraacute en tres fases de procesamiento como se observa
en el diagrama de bloques de la Figura 10
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno (6)
13
En primer lugar este medio de produccioacuten parte de una corriente de n-butanos isobutano
propano y un porcentaje de hidrocarburos (C5) la cual necesita ser tratada para obtener una
corriente pura de n-butanos Este sistema presenta un tren de separacioacuten en primer lugar una
columna de destilacioacuten que lo separe en una corriente de n-butano y posteriormente
aprovechar la corriente de isobutanos con un reactor de isomerizacioacuten para generar maacutes n-
butano o como producto final para otros procesos Maacutes adelante en el proyecto se decidiraacute
que se haraacute con el isobutano
Una vez obtenida la corriente de n-butano se alimenta a la zona de deshidrogenacioacuten
encargada de deshidrogenizar para conseguir el butadieno Como ya se ha enunciado se
instalaraacuten dos zonas de deshidrogenacioacuten con condiciones de operacioacuten diferentes La
deshidrogenacioacuten no oxidativa de n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica trabajando
a un rango de temperatura de 600-700ordmC y una presioacuten de 05-8 bar (3) La reaccioacuten principal
en el primer reactor seriacutea la formacioacuten de buteno a traveacutes de la peacuterdida de hidroacutegeno de n-
butano para dar 1-buteno
C4H10 C4H8 (1-buteno) + H2
Para aportar el calor necesario de reaccioacuten se puede quemar in-situ el hidroacutegeno liberado
antildeadiendo una corriente de oxiacutegeno (aire) Suele ser necesario antildeadir hidroacutegeno adicional
externamente para satisfacer totalmente el calor de reaccioacuten
H2 + O2 H2O
Estas reacciones se catalizan selectivamente por catalizadores especializados a este sistema
Los catalizadores se pueden separar en dos partes fundamentales como soporte y composicioacuten
activa En primer lugar el soporte consiste generalmente en un oacutexido resistente al calor u
oacutexido mixto Los oacutexidos empleados preferentemente son los oacutexidos de aluminio oacutexido de
cromo o dioacutexido de silicio La composicioacuten activa de los catalizadores de deshidrogenacioacuten se
comprende generalmente en uno o maacutes metales del grupo de transicioacuten VII de la tabla
perioacutedica preferentemente platino yo paladio En este caso para este reactor se utiliza el
catalizador maacutes comuacuten que es una mezcla de oacutexido de aluminio y oacutexido de cromo Los
catalizadores de deshidrogenacioacuten en su funcioacuten se degeneran con la necesidad de montar un
reactor en paralelo que permita su regeneracioacuten de forma continua Ademaacutes como se observa
14
en el diagrama de bloques de la figura 10 es necesario la aplicacioacuten a estas zonas de
deshidrogenacioacuten de aire a traveacutes del lecho catalizador
Una vez obtenida la corriente de n-butenos se alimenta al segundo reactor con la diferencia
que necesita la alimentacioacuten de oxiacutegeno para la deshidrogenacioacuten oxidativa del 1-buteno La
adiccioacuten de oxigeno permite mejorar la conversioacuten y la selectividad de la deshidrogenacioacuten de
n-buteno eliminando el hidrogeno (7)
2 C4H8 + O2 2 C4H6 + 2 H2O (Reaccioacuten principal)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O (Reaccioacuten secundaria)
Como al igual que la deshidrogenacioacuten no oxidativa para la deshidrogenacioacuten del 1-buteno se
necesita un catalizador preferentemente un sistema de oacutexido multimetaacutelico Mo-Bi-Fe-O En
esta reaccioacuten aparece la formacioacuten de CO2 como reaccioacuten secundaria indeseada a partir del 1-
buteno Una vez obtenida la corriente final de butadieno n-butano no convertido y los demaacutes
co-productos se llevan a un tren de separacioacuten que consta de una columna de destilacioacuten
extractiva con un solvente En primer lugar la columna de destilacioacuten se separa el resto de
hidrocarburos (n-butanos sin reaccionar) por cabeza mientras que el 13-butadieno sale por
fondos Los fondos presentan gran cantidad de disolvente de ahiacute que utilicen una columna de
recuperacioacuten de disolvente para obtener el butadieno final
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
11
la Figura 9 una mezcla de aire vapor y 1-buteno se hace pasar sobre el catalizador de
deshidrogenacioacuten en un proceso continuo
Figura 9 Diagrama de la oxideshidrogenacioacuten de n-butenos [3]
Como parte final del proceso el efluente del reactor se enfriacutea y como en el sistema anterior
los componentes C4 se recuperan en un absorbedordesgasificadorstripper El aceite como
disolvente fluye desde los fondos del stripper y regresa al absorbedor aunque antes pasa
traveacutes de una zona de purificacioacuten de disolvente Para obtener la corriente de butadieno final
es necesario eliminar la cantidad de disolvente (aceite) por medio de un stripper y un sistema
de purificacioacuten para obtener la corriente final El rango de rendimiento y selectividad puede
variar entre 70-90 lo que hace innecesario recuperar o reciclar material de alimentacioacuten (la
formacioacuten de C02 como reaccioacuten secundaria puede producir la peacuterdida de rendimiento del
proceso)
12
3 Descripcioacuten del proceso
En el estudio de este proyecto y tras analizar cada una de las opciones de trabajo para la
deshidrogenacioacuten de n-butanos se ha decidido seguir un sistema de deshidrogenacioacuten en dos
etapas [13 67]
1) Deshidrogenacioacuten no oxidativa de los n-butanos para obtener n-butenos
2) Deshidrogenacioacuten oxidativa (oxideshidrogenacioacuten) de los n-butenos para producir
butadieno
Como ya se ha dicho con anterioridad existen tres caminos de produccioacuten de butadieno sin
embargo se considera principalmente debido a la necesidad de eficiencia implantar dos fases
distintas de deshidrogenacioacuten La primera fase que corresponde al proceso Catadiene que
consiste en una deshidrogenacioacuten no oxidativa del n-butano mientras que se complementa
con una zona de oxideshidrogenacioacuten de los n-butenos Se ha decidido tomar este sistema
debido a las siguientes razones
o Mayor conversioacuten y selectividad global gracias a la oxideshidrogenacioacuten el aporte de
oxiacutegeno permite eliminar parte de hidrogeno en forma de agua (rendimiento aprox de
65 y una selectividad de 93)
o Oxiacutegeno junto al vapor alimentado disminuye la coquizacioacuten del catalizador
o Bajo consumo de vapor respecto a la deshidrogenacioacuten no oxidativa
o Adicioacuten de oxiacutegeno en la deshidrogenacioacuten de n-butanos genera una gran cantidad de
productos indeseados debido a que a las altas temperaturas requeridas favorece la
reaccioacuten del oxiacutegeno
o Butenos son muchos maacutes reactivos de ahiacute que necesiten condiciones de operacioacuten
menos severas por lo que no es praacutectico la oxideshidrogenacioacuten del n-butano
Este sistema de deshidrogenacioacuten se dividiraacute en tres fases de procesamiento como se observa
en el diagrama de bloques de la Figura 10
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno (6)
13
En primer lugar este medio de produccioacuten parte de una corriente de n-butanos isobutano
propano y un porcentaje de hidrocarburos (C5) la cual necesita ser tratada para obtener una
corriente pura de n-butanos Este sistema presenta un tren de separacioacuten en primer lugar una
columna de destilacioacuten que lo separe en una corriente de n-butano y posteriormente
aprovechar la corriente de isobutanos con un reactor de isomerizacioacuten para generar maacutes n-
butano o como producto final para otros procesos Maacutes adelante en el proyecto se decidiraacute
que se haraacute con el isobutano
Una vez obtenida la corriente de n-butano se alimenta a la zona de deshidrogenacioacuten
encargada de deshidrogenizar para conseguir el butadieno Como ya se ha enunciado se
instalaraacuten dos zonas de deshidrogenacioacuten con condiciones de operacioacuten diferentes La
deshidrogenacioacuten no oxidativa de n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica trabajando
a un rango de temperatura de 600-700ordmC y una presioacuten de 05-8 bar (3) La reaccioacuten principal
en el primer reactor seriacutea la formacioacuten de buteno a traveacutes de la peacuterdida de hidroacutegeno de n-
butano para dar 1-buteno
C4H10 C4H8 (1-buteno) + H2
Para aportar el calor necesario de reaccioacuten se puede quemar in-situ el hidroacutegeno liberado
antildeadiendo una corriente de oxiacutegeno (aire) Suele ser necesario antildeadir hidroacutegeno adicional
externamente para satisfacer totalmente el calor de reaccioacuten
H2 + O2 H2O
Estas reacciones se catalizan selectivamente por catalizadores especializados a este sistema
Los catalizadores se pueden separar en dos partes fundamentales como soporte y composicioacuten
activa En primer lugar el soporte consiste generalmente en un oacutexido resistente al calor u
oacutexido mixto Los oacutexidos empleados preferentemente son los oacutexidos de aluminio oacutexido de
cromo o dioacutexido de silicio La composicioacuten activa de los catalizadores de deshidrogenacioacuten se
comprende generalmente en uno o maacutes metales del grupo de transicioacuten VII de la tabla
perioacutedica preferentemente platino yo paladio En este caso para este reactor se utiliza el
catalizador maacutes comuacuten que es una mezcla de oacutexido de aluminio y oacutexido de cromo Los
catalizadores de deshidrogenacioacuten en su funcioacuten se degeneran con la necesidad de montar un
reactor en paralelo que permita su regeneracioacuten de forma continua Ademaacutes como se observa
14
en el diagrama de bloques de la figura 10 es necesario la aplicacioacuten a estas zonas de
deshidrogenacioacuten de aire a traveacutes del lecho catalizador
Una vez obtenida la corriente de n-butenos se alimenta al segundo reactor con la diferencia
que necesita la alimentacioacuten de oxiacutegeno para la deshidrogenacioacuten oxidativa del 1-buteno La
adiccioacuten de oxigeno permite mejorar la conversioacuten y la selectividad de la deshidrogenacioacuten de
n-buteno eliminando el hidrogeno (7)
2 C4H8 + O2 2 C4H6 + 2 H2O (Reaccioacuten principal)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O (Reaccioacuten secundaria)
Como al igual que la deshidrogenacioacuten no oxidativa para la deshidrogenacioacuten del 1-buteno se
necesita un catalizador preferentemente un sistema de oacutexido multimetaacutelico Mo-Bi-Fe-O En
esta reaccioacuten aparece la formacioacuten de CO2 como reaccioacuten secundaria indeseada a partir del 1-
buteno Una vez obtenida la corriente final de butadieno n-butano no convertido y los demaacutes
co-productos se llevan a un tren de separacioacuten que consta de una columna de destilacioacuten
extractiva con un solvente En primer lugar la columna de destilacioacuten se separa el resto de
hidrocarburos (n-butanos sin reaccionar) por cabeza mientras que el 13-butadieno sale por
fondos Los fondos presentan gran cantidad de disolvente de ahiacute que utilicen una columna de
recuperacioacuten de disolvente para obtener el butadieno final
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
12
3 Descripcioacuten del proceso
En el estudio de este proyecto y tras analizar cada una de las opciones de trabajo para la
deshidrogenacioacuten de n-butanos se ha decidido seguir un sistema de deshidrogenacioacuten en dos
etapas [13 67]
1) Deshidrogenacioacuten no oxidativa de los n-butanos para obtener n-butenos
2) Deshidrogenacioacuten oxidativa (oxideshidrogenacioacuten) de los n-butenos para producir
butadieno
Como ya se ha dicho con anterioridad existen tres caminos de produccioacuten de butadieno sin
embargo se considera principalmente debido a la necesidad de eficiencia implantar dos fases
distintas de deshidrogenacioacuten La primera fase que corresponde al proceso Catadiene que
consiste en una deshidrogenacioacuten no oxidativa del n-butano mientras que se complementa
con una zona de oxideshidrogenacioacuten de los n-butenos Se ha decidido tomar este sistema
debido a las siguientes razones
o Mayor conversioacuten y selectividad global gracias a la oxideshidrogenacioacuten el aporte de
oxiacutegeno permite eliminar parte de hidrogeno en forma de agua (rendimiento aprox de
65 y una selectividad de 93)
o Oxiacutegeno junto al vapor alimentado disminuye la coquizacioacuten del catalizador
o Bajo consumo de vapor respecto a la deshidrogenacioacuten no oxidativa
o Adicioacuten de oxiacutegeno en la deshidrogenacioacuten de n-butanos genera una gran cantidad de
productos indeseados debido a que a las altas temperaturas requeridas favorece la
reaccioacuten del oxiacutegeno
o Butenos son muchos maacutes reactivos de ahiacute que necesiten condiciones de operacioacuten
menos severas por lo que no es praacutectico la oxideshidrogenacioacuten del n-butano
Este sistema de deshidrogenacioacuten se dividiraacute en tres fases de procesamiento como se observa
en el diagrama de bloques de la Figura 10
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de produccioacuten de butadieno (6)
13
En primer lugar este medio de produccioacuten parte de una corriente de n-butanos isobutano
propano y un porcentaje de hidrocarburos (C5) la cual necesita ser tratada para obtener una
corriente pura de n-butanos Este sistema presenta un tren de separacioacuten en primer lugar una
columna de destilacioacuten que lo separe en una corriente de n-butano y posteriormente
aprovechar la corriente de isobutanos con un reactor de isomerizacioacuten para generar maacutes n-
butano o como producto final para otros procesos Maacutes adelante en el proyecto se decidiraacute
que se haraacute con el isobutano
Una vez obtenida la corriente de n-butano se alimenta a la zona de deshidrogenacioacuten
encargada de deshidrogenizar para conseguir el butadieno Como ya se ha enunciado se
instalaraacuten dos zonas de deshidrogenacioacuten con condiciones de operacioacuten diferentes La
deshidrogenacioacuten no oxidativa de n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica trabajando
a un rango de temperatura de 600-700ordmC y una presioacuten de 05-8 bar (3) La reaccioacuten principal
en el primer reactor seriacutea la formacioacuten de buteno a traveacutes de la peacuterdida de hidroacutegeno de n-
butano para dar 1-buteno
C4H10 C4H8 (1-buteno) + H2
Para aportar el calor necesario de reaccioacuten se puede quemar in-situ el hidroacutegeno liberado
antildeadiendo una corriente de oxiacutegeno (aire) Suele ser necesario antildeadir hidroacutegeno adicional
externamente para satisfacer totalmente el calor de reaccioacuten
H2 + O2 H2O
Estas reacciones se catalizan selectivamente por catalizadores especializados a este sistema
Los catalizadores se pueden separar en dos partes fundamentales como soporte y composicioacuten
activa En primer lugar el soporte consiste generalmente en un oacutexido resistente al calor u
oacutexido mixto Los oacutexidos empleados preferentemente son los oacutexidos de aluminio oacutexido de
cromo o dioacutexido de silicio La composicioacuten activa de los catalizadores de deshidrogenacioacuten se
comprende generalmente en uno o maacutes metales del grupo de transicioacuten VII de la tabla
perioacutedica preferentemente platino yo paladio En este caso para este reactor se utiliza el
catalizador maacutes comuacuten que es una mezcla de oacutexido de aluminio y oacutexido de cromo Los
catalizadores de deshidrogenacioacuten en su funcioacuten se degeneran con la necesidad de montar un
reactor en paralelo que permita su regeneracioacuten de forma continua Ademaacutes como se observa
14
en el diagrama de bloques de la figura 10 es necesario la aplicacioacuten a estas zonas de
deshidrogenacioacuten de aire a traveacutes del lecho catalizador
Una vez obtenida la corriente de n-butenos se alimenta al segundo reactor con la diferencia
que necesita la alimentacioacuten de oxiacutegeno para la deshidrogenacioacuten oxidativa del 1-buteno La
adiccioacuten de oxigeno permite mejorar la conversioacuten y la selectividad de la deshidrogenacioacuten de
n-buteno eliminando el hidrogeno (7)
2 C4H8 + O2 2 C4H6 + 2 H2O (Reaccioacuten principal)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O (Reaccioacuten secundaria)
Como al igual que la deshidrogenacioacuten no oxidativa para la deshidrogenacioacuten del 1-buteno se
necesita un catalizador preferentemente un sistema de oacutexido multimetaacutelico Mo-Bi-Fe-O En
esta reaccioacuten aparece la formacioacuten de CO2 como reaccioacuten secundaria indeseada a partir del 1-
buteno Una vez obtenida la corriente final de butadieno n-butano no convertido y los demaacutes
co-productos se llevan a un tren de separacioacuten que consta de una columna de destilacioacuten
extractiva con un solvente En primer lugar la columna de destilacioacuten se separa el resto de
hidrocarburos (n-butanos sin reaccionar) por cabeza mientras que el 13-butadieno sale por
fondos Los fondos presentan gran cantidad de disolvente de ahiacute que utilicen una columna de
recuperacioacuten de disolvente para obtener el butadieno final
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
13
En primer lugar este medio de produccioacuten parte de una corriente de n-butanos isobutano
propano y un porcentaje de hidrocarburos (C5) la cual necesita ser tratada para obtener una
corriente pura de n-butanos Este sistema presenta un tren de separacioacuten en primer lugar una
columna de destilacioacuten que lo separe en una corriente de n-butano y posteriormente
aprovechar la corriente de isobutanos con un reactor de isomerizacioacuten para generar maacutes n-
butano o como producto final para otros procesos Maacutes adelante en el proyecto se decidiraacute
que se haraacute con el isobutano
Una vez obtenida la corriente de n-butano se alimenta a la zona de deshidrogenacioacuten
encargada de deshidrogenizar para conseguir el butadieno Como ya se ha enunciado se
instalaraacuten dos zonas de deshidrogenacioacuten con condiciones de operacioacuten diferentes La
deshidrogenacioacuten no oxidativa de n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica trabajando
a un rango de temperatura de 600-700ordmC y una presioacuten de 05-8 bar (3) La reaccioacuten principal
en el primer reactor seriacutea la formacioacuten de buteno a traveacutes de la peacuterdida de hidroacutegeno de n-
butano para dar 1-buteno
C4H10 C4H8 (1-buteno) + H2
Para aportar el calor necesario de reaccioacuten se puede quemar in-situ el hidroacutegeno liberado
antildeadiendo una corriente de oxiacutegeno (aire) Suele ser necesario antildeadir hidroacutegeno adicional
externamente para satisfacer totalmente el calor de reaccioacuten
H2 + O2 H2O
Estas reacciones se catalizan selectivamente por catalizadores especializados a este sistema
Los catalizadores se pueden separar en dos partes fundamentales como soporte y composicioacuten
activa En primer lugar el soporte consiste generalmente en un oacutexido resistente al calor u
oacutexido mixto Los oacutexidos empleados preferentemente son los oacutexidos de aluminio oacutexido de
cromo o dioacutexido de silicio La composicioacuten activa de los catalizadores de deshidrogenacioacuten se
comprende generalmente en uno o maacutes metales del grupo de transicioacuten VII de la tabla
perioacutedica preferentemente platino yo paladio En este caso para este reactor se utiliza el
catalizador maacutes comuacuten que es una mezcla de oacutexido de aluminio y oacutexido de cromo Los
catalizadores de deshidrogenacioacuten en su funcioacuten se degeneran con la necesidad de montar un
reactor en paralelo que permita su regeneracioacuten de forma continua Ademaacutes como se observa
14
en el diagrama de bloques de la figura 10 es necesario la aplicacioacuten a estas zonas de
deshidrogenacioacuten de aire a traveacutes del lecho catalizador
Una vez obtenida la corriente de n-butenos se alimenta al segundo reactor con la diferencia
que necesita la alimentacioacuten de oxiacutegeno para la deshidrogenacioacuten oxidativa del 1-buteno La
adiccioacuten de oxigeno permite mejorar la conversioacuten y la selectividad de la deshidrogenacioacuten de
n-buteno eliminando el hidrogeno (7)
2 C4H8 + O2 2 C4H6 + 2 H2O (Reaccioacuten principal)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O (Reaccioacuten secundaria)
Como al igual que la deshidrogenacioacuten no oxidativa para la deshidrogenacioacuten del 1-buteno se
necesita un catalizador preferentemente un sistema de oacutexido multimetaacutelico Mo-Bi-Fe-O En
esta reaccioacuten aparece la formacioacuten de CO2 como reaccioacuten secundaria indeseada a partir del 1-
buteno Una vez obtenida la corriente final de butadieno n-butano no convertido y los demaacutes
co-productos se llevan a un tren de separacioacuten que consta de una columna de destilacioacuten
extractiva con un solvente En primer lugar la columna de destilacioacuten se separa el resto de
hidrocarburos (n-butanos sin reaccionar) por cabeza mientras que el 13-butadieno sale por
fondos Los fondos presentan gran cantidad de disolvente de ahiacute que utilicen una columna de
recuperacioacuten de disolvente para obtener el butadieno final
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
14
en el diagrama de bloques de la figura 10 es necesario la aplicacioacuten a estas zonas de
deshidrogenacioacuten de aire a traveacutes del lecho catalizador
Una vez obtenida la corriente de n-butenos se alimenta al segundo reactor con la diferencia
que necesita la alimentacioacuten de oxiacutegeno para la deshidrogenacioacuten oxidativa del 1-buteno La
adiccioacuten de oxigeno permite mejorar la conversioacuten y la selectividad de la deshidrogenacioacuten de
n-buteno eliminando el hidrogeno (7)
2 C4H8 + O2 2 C4H6 + 2 H2O (Reaccioacuten principal)
C4H8 + 6 O2 4 CO2 + 4 H2O (Reaccioacuten secundaria)
Como al igual que la deshidrogenacioacuten no oxidativa para la deshidrogenacioacuten del 1-buteno se
necesita un catalizador preferentemente un sistema de oacutexido multimetaacutelico Mo-Bi-Fe-O En
esta reaccioacuten aparece la formacioacuten de CO2 como reaccioacuten secundaria indeseada a partir del 1-
buteno Una vez obtenida la corriente final de butadieno n-butano no convertido y los demaacutes
co-productos se llevan a un tren de separacioacuten que consta de una columna de destilacioacuten
extractiva con un solvente En primer lugar la columna de destilacioacuten se separa el resto de
hidrocarburos (n-butanos sin reaccionar) por cabeza mientras que el 13-butadieno sale por
fondos Los fondos presentan gran cantidad de disolvente de ahiacute que utilicen una columna de
recuperacioacuten de disolvente para obtener el butadieno final
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
15
31 Etapas de produccioacuten
311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
Para este proceso se ha decidido tomar como alimentacioacuten una corriente que contiene al
menos un 70 molar de n-butano y el resto de hidrocarburos los cuaacuteles no participan en el
proceso de deshidrogenacioacuten (para este caso exactamente se tomaran los valores impuestos
en la figura 11)
La importante presencia de hidrocarburos reduce la eficiencia de los reactores y a la misma vez
encarece los costes de operacioacuten y equipo debido a eso existe la necesidad de implementar
un tren de destilacioacuten previo encargado de separarlos y generar la corriente final de n-
butanos Los hidrocarburos separados podraacuten ser destinados a distintos usos finales En primer
lugar la corriente de alimentacioacuten se dividiraacute en dos corrientes a la salida de la primera
columna constituyendo dos liacuteneas de proceso diferente la corriente de cabeza (propano e
isobutanos) sigue a una segunda columna donde se obtiene finalmente la corriente de
isobutanos Por otro lado la corriente de cola (n-butano y pentano) conforma la alimentacioacuten
en la segunda liacutenea de proceso (liacutenea principal) hasta una segunda columna de destilacioacuten Esta
columna permite separar los pentanos definitivamente del n-butano y conseguir la corriente
final de alimentacioacuten a la zona de reaccioacuten
312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
Una vez se tiene la corriente de n-butano se introduce en una primera zona de
deshidrogenacioacuten y se somete a una deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa En esta parte el
n-butano es deshidrogenado parcialmente sobre un catalizador en un reactor de
deshidrogenacioacuten Como productos de esta fase se producen 1-buteno y numerosos co-
productos como hidroacutegeno (a diferencia de la deshidrogenacioacuten oxidativa posterior donde no
se forman cantidades sustanciales) y agua De esta forma la parte fundamental de esta fase es
Componentes (Alim) Foacutermula Comp molar ()
Propano C3H8 9
Isobutano C4H10 20
N-butano C4H10 70
Pentano C5H12 1
Figura 11Composicioacuten de componentes en la alimentacioacuten
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
16
el reactor de deshidrogenacioacuten para el cual se tienen distintas opciones de trabajo (cada uno
con diferentes caracteriacutesticas)
Reactor tubular En estos reactores el catalizador estaacute dispuesto como lecho fijo en un tubo
de reaccioacuten o en un haz de tubos de reaccioacuten Los tubos de reaccioacuten se calientan
habitualmente indirectamente por la combustioacuten de un gas aunque solo es eficaz sobre el
20 a 30 de la longitud del lecho fijo Respecto a las caracteriacutesticas de los tubos los
diaacutemetros internos del tubo de reaccioacuten habituales son de aproximadamente 10 a 15 cm y
aproximadamente entre 300 a 1000 tubos de reaccioacuten Entre las condiciones de trabajo en los
tubos la temperatura interna de los tubos de reaccioacuten puede oscilar habitualmente entre 300
a 1200ordmC preferiblemente en el intervalo de 500 a 1000ordmC Mientras que la presioacuten de trabajo
es habitualmente de 05 a 8 bar con frecuencia de 1 a 2 bar cuando se utiliza una pequentildea
dilucioacuten de vapor o bien de 3 a 8 bar al utilizar una elevada dilucioacuten de vapor para la
deshidrogenacioacuten de butano
Lecho fluidizado Para llevar a cabo la deshidrogenacioacuten maacutes eficiente se opera dos lechos
fluidizados en paralelo (uno de ellos empleados para regeneracioacuten) Para obtener el calor
requerido en la deshidrogenacioacuten se precalienta el catalizador de deshidrogenacioacuten a la
temperatura de reaccioacuten La presioacuten de trabajo es normalmente de 1 a 2 bar y la temperatura
de deshidrogenacioacuten en general 550 a 600 ordmC
Reactor de bandeja Estos reactores son proporcionados con o sin oxiacutegeno como co-
alimentacioacuten Se emplean maacutes de un lecho de catalizador en cada reactor preferiblemente de
1 a 20 y en particular de 1 a 3 lechos En el caso maacutes simple los lechos de catalizador fijos
estaacuten dispuestos axialmente en un reactor de horno de cuba En caso que no se antildeada
oxigeno junto a la alimentacioacuten es necesario un calentamiento entre cada lecho de catalizador
por medio de intercambiadores de calor (por ejemplo placas de intercambiadores con gases
auxiliares o aprovechando los gases de combustioacuten) Como condiciones preferentes en este
tipo de reactor la temperatura de deshidrogenacioacuten es generalmente de 400 a 1100ordmC y la
presioacuten en el uacuteltimo lecho de catalizador es preferentemente 1 a 3 bar
Para este trabajo se ha decidido implantar reactor de lecho fijo cataliacutetico frente al de lecho
fluidizado Se pueden destacar los motivos que han llevado a la eleccioacuten
a) Menor capital y costos de operacioacuten
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
17
- Los procesos en la produccioacuten de butadieno trabajan a alta presioacuten A la misma vez
el volumen requerido para el lecho fijo es menor que para el fluidizado
- Menor coste de operacioacuten debido a la dificultad para mantener el reactivo en fase
gaseosa y el catalizador en sus condiciones de la mezcla
b) Menos peacuterdidas en el catalizador
c) Bajo costo de mantenimiento
- En el lecho fluidizado se deposita mayor cantidad de coque en la parte inferior del
reactor favoreciendo el ensuciamiento y obligando a la parada planta para
mantenimiento
Tabla 1 Especificaciones de operacioacuten y rango de temperatura de residencia normal de trabajo en reactores de deshidrogenacioacuten no oxidativa
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv () Select Catalizador TR(min)
Lecho fijo de
deshidrogenacioacuten no
oxidativa
600-680
05-8
30-40
30-40
Al2O3-Cr2O3
5-15
Como se observa en la tabla 1 la conversioacuten de n-butano no es elevada por lo cual se liberariacutea
una gran cantidad de n-butano que no se puede desperdiciar Por lo tanto se decide en este
proceso de llevar el n-butano hasta la fase final de separacioacuten de butadieno donde en la
columna extractiva el n-butano es separado para su posterior reutilizacioacuten
313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
La implantacioacuten de la deshidrogenacioacuten oxidativa de n-butenos proporciona un mayor
rendimiento de butadieno sobre la base de n-butano Este tipo de deshidrogenacioacuten permite
realizarse en cualquiera de los reactores mencionados en la etapa anterior como lecho
fluidizado horno de bandeja o lecho fijo tubular (se selecciona lecho fluidizado el cuaacutel se
argumenta en capiacutetulo de disentildeo) La deshidrogenacioacuten del 1-buteno a butadieno se efectuacutea a
una temperatura tiacutepica de 220-490ordmC y preferiblemente 250 a 450ordmC Por otro lado en el
reactor teniendo en cuenta la peacuterdida de carga del reactor se toma una presioacuten de entrada de
0005 a 1 MPa por encima de la presioacuten atmosfeacuterica (normalmente de 001 a 05 MPa maacutes que
la presioacuten atmosfeacuterica como se aprecia en la tabla 2) Aunque en esta etapa es imprescindible
alcanzar las condiciones de operacioacuten mencionadas y para ello a la salida de la primera zona
de deshidrogenacioacuten se coloca un intercambiador de calor encargado del enfriamiento hasta el
rango marcado
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
18
Tabla 2 Especificaciones de operacioacuten del lecho de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos (7)
Equipo T(ordmC) P(bar) Conv() Select Catalizador
Lecho fluidizado de oxideshidrogenacioacuten
250-450
01-5
70-90
70-90
Mo-Bi-Fe-O
Como parte fundamental de este proceso se encuentra la alimentacioacuten de oxiacutegeno necesario
para llevar acabo la oxideshidrogenacioacuten mediante su reaccioacuten con el 1-buteno conseguido en
la primera zona de reaccioacuten Como producto principal se obtiene el butadieno deseado sin
embargo debido al oxiacutegeno se produce CO2 en reacciones de combustioacuten indeseables En
salida del reactor tambieacuten apareceraacuten 1-buteno y n-butano no convertidos de la primera
deshidrogenacioacuten Es uacutetil en esta zona de igual manera aplicar una corriente de vapor que
favorezca la reaccioacuten y la descoquizacioacuten del catalizador Aunque su adiccioacuten depende del
balance del energeacutetico final en el equipo y se decidiraacute en el siguiente apartado la necesidad de
su adiccioacuten Para ello se toman como referencias los valores de la siguiente tabla 3
Tabla 3 Especificaciones de relaciones molares de alimentacioacuten
Relacioacuten molar ( Oxiacutegeno 1-Buteno) Relacioacuten molar ( Vapor 1-Buteno)
051 121
314 Separacioacuten de butadieno
Una vez obtenida la corriente de producto del sistema de deshidrogenacioacuten es necesaria el
tratamiento y la recuperacioacuten de butadieno La corriente de alimentacioacuten procedente de la
zona de deshidrogenacioacuten presenta los siguientes compuestos butadieno 1-buteno H2 CO2
H2O n-butano y O2 Como se observa la corriente presenta un gran porcentaje de compuestos
junto con el butadieno y de ahiacute la necesidad de esta etapa En primer lugar se instala una
columna de destilacioacuten extractiva cuya funcioacuten es separar el butadieno junto al disolvente por
el fondo de la columna mientras que el resto de componentes se marchan como ligeros por
cabeza
Para elegir los disolventes adecuados hay que tener en cuenta ciertas caracteriacutesticas
necesarias para la destilacioacuten [8]
- El disolvente debe ser elegido para afectar al comportamiento de fase liquida de los
diferentes componentes llaves
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
19
-El disolvente deber tener un punto de ebullicioacuten maacutes alto que los componentes claves de la
separacioacuten y deber ser relativamente no volaacutetil en la columna extractiva (para mantenerse en
gran medida en la fase liacutequida)
- El disolvente no deberiacutea formar azeoacutetropos adicionales con los componentes en la mezcla
para ser separada
- La columna de extraccioacuten debe ser una columna de doble alimentacioacuten con la alimentacioacuten
de disolvente de alimentacioacuten primaria
Actualmente en la industria existen cinco disolventes comuacutenmente usados para la separacioacuten
de butadieno-butano como se aprecia en la figura 13
Tabla 4 Disolventes usados industrialmente [9]
Disolventes
N-metil-2-pirrolidona (NMP)
Dimetilformamida (DMF)
Dimetilacetamia (DMAC)
Acetonitrilo (ACN)
Furfural
Se elige la dimetilformamida (DMF) ya que entre sus ventajas se encuentra la capacidad para
generar una gran variacioacuten en la volatilidad relativa lo que permite una separacioacuten maacutes faacutecil
Aunque es menos efectiva que otros disolventes son mucho maacutes barata
Por uacuteltimo la corriente de fondo de la columna formada por el butadieno y el DMF se enviacutea a
una columna de recuperacioacuten de disolvente donde se separa el butadieno por cabeza mientras
que el disolvente saldriacutea por el fondo de la columna para ser recirculada
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
20
4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
Una vez estudiado todo el proceso se simularaacute con el programa de simulacioacuten de procesos
quiacutemicos Aspen Plus Este programa permitiraacute simular cada una de las secciones del proceso
obteniendo una representacioacuten significativa de todo el sistema Para ello se utiliza los equipos
condiciones de operacioacuten y las reacciones mencionadas en la descripcioacuten
Como base de disentildeo se toma una produccioacuten anual de butadieno 100000 tantildeo tiacutepica de
este tipo de plantas de deshidrogenacioacuten Por balance se calcula el caudal de alimentacioacuten a
mano y se toma como punto de partida de la simulacioacuten (ademaacutes de las distintas
composiciones de alimentacioacuten elegida en el apartado anterior en la figura 11) La simulacioacuten
se realiza equipo a equipo a la misma vez que se van acoplando hasta conformar al completo
el diagrama Esto es posible ya que no existe ninguna corriente de recirculacioacuten en el proceso
Como en la descripcioacuten se expone la simulacioacuten en tres partes
41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
Como se comenta en la descripcioacuten (apartado 311) consiste en un tren de destilacioacuten
formado por tres columnas simples
Primera columna de separacioacuten (D1) Separa la alimentacioacuten corriente de cabeza
con propano e isobutanos y corriente de cola con n-butanos y pentanos
Despueacutes de esta columna ambas corrientes siguen dos liacuteneas diferentes en esta primera fase
La corriente de cola es tratada en una columna de destilacioacuten (D-2) separa el n-
butano completamente de los pentanos Por cabeza de torre se obtiene la
corriente de n-butano que representa la alimentacioacuten al reactor de
deshidrogenacioacuten mientras que la corriente de fondo se constituye de los
pentanos que no se necesitan en el reactor
Los propanos e isobutanos que se obtienen de la separacioacuten anterior siguen la otra
liacutenea hacia una columna de destilacioacuten (D-3) encargados de separarlos
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
21
411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
En esta etapa de tratamiento todo el sistema estaacute conformado de columnas de destilacioacuten
Para su simulacioacuten se utilizaraacuten dos modelos adecuados para la destilacioacuten simple DSTWU y
Radfrac Se utilizan ambos meacutetodos para el disentildeo de las columnas [10]
En primer lugar se disentildea cada columna con el modelo DSTWU (basado en el meacutetodo
aproximado de Winn-Underwood-Gilliland) DSTWU es apropiada para la mezcla de
hidrocarburos semejantes y no polares asiacute como por la ausencia de azeoacutetropos entre los
hidrocarburos Los resultados del disentildeo se refinan mediante la simulacioacuten rigurosa de
cada columna con el modelo Radcfrac
Antes de la implementacioacuten del modelo es necesario
1 Seleccionar los compuestos que intervienen en el sistema en cada equipo
2 Seleccionar meacutetodo termodinaacutemico en este caso se aplica el Chao-Seader (modelo
predictivo basado en ecuaciones de estado) porque es un meacutetodo apropiado para mezclas
de hidrocarburos y en especial para la simulacioacuten de columnas debutanizadoras Este
meacutetodo termodinaacutemico se aplicaraacute para todo el desarrollo del diagrama de proceso
3 Definir la alimentacioacuten al tren de destilacioacuten Es necesario especificar todos los datos de la
corriente caudal molar (obtenido por balance como se indicoacute anteriormente)
composicioacuten de cada componente de la alimentacioacuten temperatura y presioacuten El estado
de la corriente se elige 25 ordmC y 1 bar resultando estar en fase gas
Una vez especificada la corriente se pasariacutea a implementar el modelo DSTWU
1 Se elige como reflujo de disentildeo 12 del reflujo de la columna (es necesario en Aspen
detallar el signo negativo del reflujo para especificar que es x veces mayor que la relacioacuten
de reflujo miacutenimo)
2 Especificar las presiones de condensador y hervidor La presioacuten del condensador se
ajustaraacute para que la temperatura en el condensador trabaje a unos 50ordmC Para conseguir
esta temperatura se puede ademaacutes modificar el tipo de condensador y utilizar entre
condensador total o parcial
3 La uacuteltima especificacioacuten seriacutea la recuperacioacuten de los componentes clave ligero y el clave
pesado refirieacutendose a la corriente de destilado Para identificar los componentes claves en
cada separacioacuten se ordenan seguacuten su volatilidad (punto de ebullicioacuten)
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
22
Todas las columnas del tren de destilacioacuten se modelan de la misma manera con la uacutenica
excepcioacuten de la recuperacioacuten de los componentes claves En la primera columna el isobutano
es clave ligero fijando su recuperacioacuten en 99 en cabeza mientras que el n-butano es el clave
pesado (con una recuperacioacuten del 1 en cabeza) En la columna de separacioacuten del n-butano se
selecciona entres los tres componentes que llegan al equipo el n-butano como componente
clave ligero (99 recuperacioacuten en cabeza) mientras que el n-pentano es el clave pesado (1 en
cabeza)
En la segunda liacutenea paralela a la de reaccioacuten (corriente de cabeza de 1ordmcolumna) se intenta
separar todo el propano por cabeza mientras que el isobutano sale por cola para aprovecharse
como co-producto (se argumenta en un punto a parte el destino final de este compuesto)
Para ello se asigna como componente clave ligero el propano el cual se desea por cabeza y el
isobutano como componente clave pesado
Una vez ajustada las presiones de cada una de los modelos DSTWU se obtienen todas las
especificaciones de las columnas Todos estos datos se utilizan en el modelo Radfrac para
poder simularlo correctamente El modelo Radfrac se utiliza para la simulacioacuten rigurosa de
equipos a partir de etapas de equilibrio y en este caso uacutetil para las columnas de destilacioacuten
simple En este modelo se especifica las siguientes caracteriacutesticas de la columna
1 Existen dos opciones de Equilibrium y Rate Based en este caso se selecciona Equilibrium
para simular etapas de equilibrio Esta y otras condiciones de modelo Radfrac se
mantienen igual en todas las columnas como son el tipo de condensador (total o parcial)
Reboiler (Kettle) Valid Phases (Equilibrio liacutequido-vapor) Convergencia (Standard)
2 Imponer el nuacutemero de etapas necesarias para la separacioacuten completa de los componentes
En el caso de que el condensador sea total es necesario antildeadir una etapa maacutes a las
estimadas por el DSTWU
3 Al igual que el punto anterior es necesario sentildealar las especificaciones de operacioacuten entre
las que hay que elegir dos entre caudal de destilado relacioacuten de reflujo relacioacuten
destiladoalimentacioacuten o colasalimentacioacuten y carga de calor en el condensador o
hervidor En esta simulacioacuten se centraraacute en los datos de referencias conseguidos en el
modelo DSTWU Caudal de destilado y relacioacuten de reflujo
4 Ademaacutes del nuacutemero de etapas es necesario indicar la etapa de alimentacioacuten a la columna
en este caso se toma el valor de referencia que nos ofrece el meacutetodo DSTWU
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
23
5 En la opcioacuten de presioacuten solo se especifica la presioacuten del condensador aunque se puede
seleccionar la presioacuten en la primera etapa de la columna y la peacuterdida de carga En este
caso se dejaraacute en blanco suponiendo que no existe peacuterdida de caga en la columna
(aunque lo normal es suponer una peacuterdida de carga de 01psia por plato)
42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
421 Modelo de simulacioacuten de reactores
La corriente separada del n-butano se convierte en butadieno mediante dos reactores de
reaccioacuten Estos equipos se modelan en Aspen con reactores estequiomeacutetricos RStoic Para
estos reactores es necesario especificar en cada uno de ellos
1 Temperatura de operacioacuten
2 Presioacuten de operacioacuten
3 Reacciones que tienen lugar en el reactor y grado de avance de cada una de ellas
Ademaacutes es necesario activar el modo de reaccioacuten en serie si fuera necesario
En el proceso de deshidrogenacioacuten se disponen de dos reactores en serie
Reactor de deshidrogenacioacuten de n-butano Este equipo lleva a cabo la reaccioacuten
endoteacutermica de produccioacuten de 1-buteno a partir de la corriente de alimentacioacuten de n-
butano Se especifica una temperatura de 500ordmC y presioacuten de operacioacuten de 3 bar Ademaacutes
de la reaccioacuten principal que da lugar el n-buteno es necesario antildeadir la formacioacuten del
agua a partir del hidroacutegeno generado y el O2 alimentado
La reaccioacuten principal del n-butano consiste en una reaccioacuten endoteacutermica de ahiacute la necesidad de
antildeadir la energiacutea necesaria para que tenga lugar la reaccioacuten Para poder hacer frente a esta
energiacutea se aprovecha el H2 liberado en la reaccioacuten con el O2 alimentado al reactor Para
conseguirlo es necesario antildeadir una corriente de H2 ya que con el H2 que se genera en la
reaccioacuten principal no es suficiente para cerrar el balance energeacutetico La conversioacuten del n-
butano es de 035 mientras que en la reaccioacuten secundaria de agua se busca consumir todo el
hidroacutegeno para cerrar el balance energeacutetico y evitar que salga hidroacutegeno del reactor hacia la
segunda zona de reaccioacuten Por lo que el procedimiento es ajustar estequiomeacutetricamente la
cantidad de ambas corrientes teniendo en cuenta a la misma vez el hidroacutegeno generado en la
reaccioacuten principal Esto uacuteltimo se realiza ajustando el hidroacutegeno necesario en la corriente y una
vez obtenido variar el caudal de oxiacutegeno para cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes antildeadir que
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
24
se decide no aportar una corriente de vapor ya que en este caso la adiccioacuten de las anteriores
corrientes es suficiente como aporte energeacutetico
Reactor de oxideshidrogenacioacuten de n-butenos En este caso se alimenta el reactor con la
corriente de salida del primer reactor para conseguir el butadieno Es imprescindible en la
oxideshidrogenacioacuten la adiccioacuten de una corriente de O2 que reaccione con los n-butenos
obteniendo el butadieno Una vez determinada la adiccioacuten del oxiacutegeno se observa que el
rango de O2n-buteno corresponde a 05 (se aprecia que este valor se encuentra en los
valores normales de la tabla3)
Este reactor opera a una temperatura de 350ordmC y una presioacuten de 3 bar En la seccioacuten de
reacciones el 1-buteno reacciona con oxiacutegeno para dar el butadieno (ademaacutes de agua) Sin
embargo debido a la presencia de oxiacutegeno el n-buteno que no reacciona para obtener
butadieno participan en una reaccioacuten secundaria dando lugar a CO2
En la reaccioacuten principal hay que indicar que el reactivo limitante es el n-buteno y anotar que la
reaccioacuten trabaja con una conversioacuten del 85 respecto a este (valor que se encuentra entre los
valores normales de trabajo)Como ya se dijo el resto de n-butenos se convertiraacuten en una
reaccioacuten secundaria a dioacutexido de carbono y se anotaraacute de igual manera
43 Integracioacuten energeacutetica
En todo proceso existe un apartado esencial para el aprovechamiento energeacutetico de cada uno
de los equipos o corrientes del proceso Las corrientes en cada uno de los equipos presentan
un poder energeacutetico significativo que no se puede desaprovechar ya que significariacutea una
peacuterdida econoacutemica en la planta A causa de esto es necesario utilizar como principal equipo de
eficiencia energeacutetica Intercambiadores de calor Estos equipos permiten el medio necesario
para el intercambio energeacutetico entre corrientes de proceso o corrientes auxiliares
Para este caso de produccioacuten de butadieno se centran en la entrada de ambos reactores ya
que estos dos equipos trabajan a una alta temperatura y presentan una gran diferencia con
respecto a su temperatura de alimentacioacuten En primer lugar se utiliza el poder energeacutetico de
la corriente final de proceso (corriente nordm16) para calentar la corriente de entrada a la seccioacuten
de reaccioacuten (nordm11) Como se observan en el apartado de resultados la temperatura de la
corriente de n-butano es de 526ordmC por lo que precisa un calentamiento hasta los 500ordmC
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
25
temperatura de trabajo del reactor de deshidrogenacioacuten La temperatura de corriente de
butadieno es de 350ordmC y es utilizada para el aporte energeacutetico a la corriente anterior Aunque
con este intercambiador (INT-1) no se puede llegar a la temperatura objetivo Por lo tanto se
utiliza una red de intercambiadores para conseguir los 500ordmC Esta red utiliza otro segundo
intercambiador (INT-2) para alcanzar praacutecticamente una temperatura proacutexima a lo que se
desea Para ello se utiliza como corriente caliente la corriente de salida del segundo reactor
(nordm15) Esto permite a la misma vez la reduccioacuten de la temperatura hasta los 350ordmC que se
necesitan en esa segunda zona de reaccioacuten
Finalmente como resultado de esta red de intercambiadores se tienen las dos corrientes de
entrada a los reactores proacuteximas a sus temperaturas deseadas Sin embargo para alcanzar los
500ordmC y 350ordmC en las corrientes 11b y 15a se necesitan intercambiadores de calor adicionales
(INT-3 Y INT-4 respectivamente) En los intercambiadores de calor se emplean servicios
auxiliares corriente de vapor (S1) para la corriente de entrada a la deshidrogenacioacuten y una
corriente de agua (S2) como refrigerante de la corriente en el intercambiador de entrada al
reactor de oxideshidrogenacioacuten
44 Equipos reguladores de presioacuten
Ademaacutes de los intercambiadores como equipos auxiliares es fundamental la existencia de
otros equipos que permiten variar las presiones seguacuten precise el proceso En este caso se han
dispuesto dos tipos de equipos compresor ya que se trabaja con gases y vaacutelvulas Los
compresores se utilizaraacuten en este caso en primer lugar en la entrada de la alimentacioacuten a la
primera columna de destilacioacuten ya que es necesario elevar la presioacuten de entrada (1 bar) hasta
los 85barEsta presioacuten corresponde la presioacuten de trabajo de la columna de destilacioacuten
principal (D-1) Una vez se separa la alimentacioacuten en las dos liacuteneas de proceso se producen dos
casos diferentes provocados por las distintas situaciones de trabajo en las siguientes columnas
de destilacioacuten
Los isobutanos que salen por cabeza de la columna conforman una corriente liacutequida que a
diferencia de la anterior tiene que comprimirse a traveacutes de una bomba La bomba eleva la
presioacuten de la corriente desde los 85 bar hasta los 155 bar (presioacuten necesaria para que la
columna de destilacioacuten de isobutano [D-2] funcione correctamente)
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
26
Mientras por la otra liacutenea de proceso es necesario una presioacuten de 5bar para que los n-butanos
se separen de los n-petanos por lo tanto aparece la necesidad de implementar una vaacutelvula
que reduzca la presioacuten desde los 85bar hasta la presioacuten mencionada antes Ademaacutes antes de
entrar en la zona de reaccioacuten e intercambiadores de calor se coloca una vaacutelvula que permita
reducir la presioacuten hasta los 3bar de trabajo de los reactores
45 Destino final del isobutano separado
Una vez separado el isobutano de la alimentacioacuten se obtiene una cantidad bastante
importante de isobutano que no es posible desechar Para el proceso de este trabajo se han
estudiado dos opciones diferentes de tratamiento del isobutano [111213]
Reactor de isomerizacioacuten de isobutano a n-butano El isobutano es convertido a n-
butano en una reaccioacuten de isomerizacioacuten inversa
CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
Isobutano n-butano
Consiste en una reaccioacuten reversible exoteacutermica a partir de la cual el isobutano se
reorganiza sus ramificaciones y se obtiene el n-butano de reciclo Este proceso trae
consigo un sistema complejo que conforma tres fases de trabajo Secado reaccioacuten y
estabilizador
Materia prima en otro proceso El isobutano se utiliza como parte de la alimentacioacuten a
una unidad de alquilacioacuten responsable de la produccioacuten de aditivos de combustibles
de alto octanaje Este isobutano es obtenido normalmente a partir de la
hidroisomerizacioacuten del n-butano mediante el sistema UOP Butamer que representa el
meacutetodo comuacuten de isomerizacioacuten de butanos En este proyecto gracias a la separacioacuten
de la corriente de alimentacioacuten no es necesarios este sistema
La opcioacuten maacutes econoacutemica y eficiente es la segunda Esto es debido en primer lugar a las
necesidades y preocupaciones ambientales que existen en la actualidad con respecto al
uso de combustibles foacutesiles Frente a este problema las parafinas de bajo peso molecular
como el isobutano constituye la uacutenica posibilidad de aumentar el RON (iacutendices de octanos)
ya que la deshidrogenacioacuten desplaza constantemente el sistema hacia los hidrocarburos
aromaacuteticos Estos isobutanos tienen gran importancia en la mejora de las mezclas
combustibles (gasolina) para motores de explosioacuten Por ejemplo para motores de
combustioacuten de la mayoriacutea de automoacuteviles una mezcla de gasolina vaporizada y aire se
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
27
comprime y se enciende a alta temperatura y presioacuten por medio de la chispa que genera la
bujiacutea Para conseguir la mayor eficiencia del motor es necesario conseguir que la mezcla
no se queme espontaacuteneamente y no pueda deteriorar mecaacutenicamente las piezas del
motor Por esto que a mayor ramificacioacuten de hidrocarburo mayor resistencia a la
compresioacuten de la caacutemara de combustioacuten sin inflamarse
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
28
5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
Figura 12Diagrama de proceso de la planta de butadieno
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
29
Tabla 5 Especificaciones de corrientes de proceso
NordmCorriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
P (bar) 1 85 85 85 155 155 155 5 5 5
T (ordmC) 25 657 436 744 436 474 886 522 526 704 Propano ( 13169 13169 13169 - 13169 13157 039 - - -
Isobutano ( 22248 22248 22040 208 22040 128 21913 208 208 - N-butano ( 77869 77869 763 77105 763 - 763 77105 76326 780
N-pentano ( 896 896 - 896 - - - 896 017 880 Oxiacutegeno ( - - - - - - - - - -
Agua ( - - - - - - - - - - 1-Buteno ( - - - - - - - - - - Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - -
NordmCorriente 11 11a 11b 12 13 14 15 15a 15b 16
P (bar) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
T (ordmC) 526 340 490 500 25 25 500 3688 350 350 Propano ( - - - - - - - - - -
Isobutano ( 208 208 208 208 - - 208 208 208 208 N-butano ( 76326 76326 76326 76326 - - 49612 49612 49612 49612
N-pentano ( 017 017 017 017 - - 017 017 017 017 Oxiacutegeno ( - - - - - 45228 22222 22222 22222 -
Agua ( - - - - - - 46014 46014 46014 84579 1-Buteno ( - - - - - - 26714 26714 26714 118 Dioacutexido de carbono
( - - - - - - - - - 15958
Hidroacutegeno ( - - - - 193 - - - - - Butadieno (kmolh) - - - - - - - - - 22607
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
30
NordmCorriente 16a 17 S1 S1a S2 S2a
P (bar) 3 3 1 1 1 1
T (ordmC) 1291 25 530 51503 50 8488 Propano ( - - - - - -
Isobutano ( 208 - - - - - N-butano ( 49612 - - - - -
N-pentano ( 017 - - - - - Oxiacutegeno ( - 13019 - - - -
Agua ( 84579 - - - 50 50 1-Buteno ( 118 - - - - - Dioacutexido de carbono
( 15958 - - - - -
Hidroacutegeno ( - - - - - - Butadieno (kmol h) 22607 - - - - -
Vapor - - 45 45 - -
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
31
Este apartado estaacute dedicado a la exposicioacuten de los valores numeacutericos obtenidos en el apartado
anterior de simulacioacuten como se aprecia en la tabla 5 Se exponen tanto los valores
especificados de las corrientes como las condiciones de operacioacuten de cada equipo y sus
caracteriacutesticas de disentildeo en el diagrama de proceso de la figura 12
51 Fase de tratamiento
Como ya se ha dicho se inicia de una alimentacioacuten con la composicioacuten indicada en la figura
Ademaacutes hace falta completar el caudal total de alimentacioacuten con 64657 kgh [14] y
condiciones ambiente a la entrada 25ordmC y 1 bar
511 Compresor (C-1)
Antes de entrar en la D-1 se emplea un compresor isentroacutepico adiabaacutetico (C-1) que permite
elevar la presioacuten hasta los 85bar Se ha tomado la eleccioacuten de un compresor de esta manera
atendiendo a las condiciones de la corriente como gas y por su mayor eficiencia de trabajo
adiabaacuteticamente Para ello se emplea en Aspen Plus la modalidad de compresor isentroacutepico
que una vez simulado se consiguen las siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 6 Especificaciones de C-1
Compresor(C-1)
Eficiencia isentroacutepica
072
Eficiencia mecaacutenica
099
Potencia requerida
230106 kW
Potencia isentroacutepica real
165676 kW
Es importante recalcar los paraacutemetros utilizados para conseguir estas especificaciones los
cuaacuteles son proporcionados por el programa Entre ellos destacar el factor de compresibilidad
medio 0934 exponente de temperatura medio 1071 y el exponente volumeacutetrico medio
1123
Tras un anaacutelisis detallado y atendiendo a las condiciones de disentildeo obtenida en el simulador
se llega a la conclusioacuten de instalar un compresor centriacutefugo Estos compresores compiten con
los compresores axiales y rotatorios como tambieacuten con los compresores alternativos por lo
que las ventajas frente a los compresores alternativos son [15]
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
32
1 Tiempos de funcionamiento continuos y largos (unos 3 antildeos normalmente) son posible con
una alta nivel de fiabilidad eliminando la necesidad de la instalacioacuten de equipos de
reserva
2 Para las mismas condiciones de operacioacuten y altos flujos los costes de equipo son bajos
3 Los compresores centriacutefugos son pequentildeos y livianos con respecto a su capacidad de flujo
por lo que requieren poca aacuterea para su instalacioacuten
4 Los costos de instalacioacuten son bajos debido a su pequentildeo tamantildeo ausencia de fuerzas
reciacuteprocas y ademaacutes se requiere la instalacioacuten de una sola unidad
5 Precisan costes maacutes bajos por atencioacuten y mantenimiento
6 El control de flujo es simple continuo y eficiente en un amplio rango de trabajo
7 No existe contaminacioacuten del gas de proceso con aceite lubricante como ocurre en el caso
de los compresores alternativos
Aunque que existen ciertas desventajas asumibles con la eleccioacuten del compresor centriacutefugo
1 Menor eficiencia (de 7 a 13) que la mayoriacutea de los tipos de compresores de
desplazamiento positivo del mismo flujo y relacioacuten de presioacuten especialmente con
relaciones de presiones mayor que 2
2 La operacioacuten no es eficiente por debajo del punto de oleaje puesto que la recirculacioacuten es
necesaria
3 La presioacuten diferencial es sensible a los cambios en las propiedades del gas especialmente
en el peso molecular Esto hace que el disentildeo de compresores sea muy criacutetico para
corriente de gases con pesos moleculares variables debido a que este tipo de maquinaria
tiene una definida limitacioacuten de cabezal
4 Para gases con bajos pesos moleculares la relacioacuten de presioacuten por etapa es baja
necesitando un alto nuacutemero de etapas por maquinaria necesitando del disentildeo de un
compresor de alta complejidad mecaacutenica
5 Los modelos centriacutefugos convencionales generalmente no estaacuten disponibles para funcionar
con flujos de descarga de aproximadamente de 015 m3s
Con las condiciones de trabajo es importante tener en cuenta las limitaciones criacuteticas de los
compresores
Temperatura de Descarga La temperatura permitida de descarga de los compresores
centriacutefugos estaacute limitada en los siguientes aspectos
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
33
1 Consideraciones de Proceso Debido a que el funcionamiento del compresor centriacutefugo es
sensible a las restricciones de flujo el ensuciamiento por polimerizacioacuten se debe evitar
Esto limita la temperatura permitida a 120degC en la descarga a aquellas corrientes ricas en
diolefinas y olefinas
2 Limitaciones del Material El hierro fundido el cual se emplea normalmente en carcasas de
baja presioacuten limita la temperatura del compresor a 230degC
3 Limitaciones Estructurales Las formas complejas de carcasas usadas en modelos de
compresores centriacutefugos para servicios de volumen alto presioacuten baja y boquillas muacuteltiples
tienden a distorsionar excesivamente cuando estaacuten expuestos a gradiente de temperatura
mayor de 175degC Las tolerancias muy pequentildeas radiales y axiales que se requieren para
alta eficiencia son adversamente afectadas por las distorsiones de la carcasa Los disentildeos
especiales de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles para temperaturas a la descarga
tan altas como 425 a 540degC Para servicios de regeneracioacuten en caliente hasta 260degC
(500degF) se usan comuacutenmente construcciones de etapa simple suspendida con
modificaciones solo a los sellos de ejes y se han aplicado para servicios mayores de 425degC
Temperatura de entrada Temperaturas de entrada tan bajas como -115ordmC pueden ser
manejadas por disentildeos convencionales con la seleccioacuten de materiales adecuados Para
servicios de menores temperaturas debe consultarse a especialistas
Presioacuten de Descarga Los disentildeos de compresores centriacutefugos estaacuten disponibles
comercialmente para presiones de descarga de 38000 kPa man y estaacuten siendo disentildeados para
presiones de 48000 a 62000 kPa man
Flujo Volumeacutetrico a la Entrada El miacutenimo para maacutequinas convencionales estaacute cercano a 017
m3s (350 pie3min) real para gases limpios y 024 m3s (500 pie3min) real para gases sucios
El maacuteximo de algunos fabricantes estaacute en el rango de 71 a 90 m3s (150000 a 190000 pi3min)
para el aire y cerca de la mitad de este nivel para gases
Flujo Volumeacutetrico a la Descarga El miacutenimo es ligeramente maacutes bajo que la limitacioacuten a la
entrada tiacutepicamente entre 014 y 019 m3s (300 a 400 pie3min) real actuando a condiciones
de descarga
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
34
Sensibilidad Mecaacutenica Los compresores centriacutefugos son especialmente sensibles a las
siguientes condiciones mecaacutenicas
1 Deficiencia de aceite lubricante en los cojinetes
2 Sucio en el aceite lubricante
3 Desbalanceo del rotor debido a cuerpos extrantildeos que se alojan en el impulsor o por
peacuterdida irregular de metal en los impulsores
4 Liacutequido entrampado
5 Desalineacioacuten del acoplamiento
Todas estas caracteriacutesticas limitantes se recogen en la Figura 13
Como se observa en la figura anterior las especificaciones de disentildeo de Aspen coinciden entre
los valores nominales de los compresores centriacutefugos convencionales
Aunque para comprobar graacuteficamente la instalacioacuten de un compresor centriacutefugo convencional
se introduce en la graacutefica de caudal (m3s) frente a la presioacuten de descarga donde se observa
en la figura 14 que coincide en la zona convencional econoacutemica
Figura 13 Caracteriacutesticas mecaacutenicas de compresores analizados [15]
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
35
Se estudia los distintos compresores que se ofrecen en el mercado industrial y tras buscar en
diversos cataacutelogos se elige la marca Siemens En este cataacutelogo de compresores [16] se toma la
decisioacuten de instalar el modelo STC-SV (Figura 15) Este modelo consiste en un compresor
centriacutefugo de eje uacutenico con carcasa dividida verticalmente Todos los componentes interiores
del compresor estaacuten ensamblados en un conjunto para simplificar la instalacioacuten y el
mantenimiento El STC-SV combina a la perfeccioacuten el rendimiento del compresor con la
dinaacutemica del rotor y constituye la solucioacuten perfecta para la compresioacuten de gases de cualquier
peso molecular Sus datos teacutecnicos de aplicacioacuten
Q 250 a 480000 m3h
Presioacuten de descarga 1000 bar
Velocidad de giro 20000 rpm
Bajo costos de operacioacuten y mantenimiento
Excelente grado de eficiencia
Figura 14 Curva caracteriacutestica presioacuten de descarga (kPa) vs Q (m3s) de compresores y ventiladores
[15]
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
36
Figura 15 Compresor centriacutefugo STC-SV instalado en el proceso [16]
512 Columna de destilacioacuten (D-1)
Una vez establecida la presioacuten de la columna a 85 bar para trabajar a 50ordmC en el condensador
y poder usar agua de refrigeracioacuten como refrigerante se calcula el nuacutemero de etapas para la
separacioacuten del isobutano y n-butano Se obtiene una columna bastante alta ya que el
isobutano y n-butano poseen un punto de ebullicioacuten parecido por lo que necesita muchas
etapas de equilibrio para poder separarse tan eficientemente El disentildeo final se muestra en la
tabla 7
Tabla 7 Especificaciones de disentildeo de columna de destilacioacuten (D-1)
Columna de destilacioacuten (D-1)
Nordm Etapas 66 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
360 kmolh Reflujo 17
Etapa alimen 35 Aporte Eneacuterg Hervidor 23470kW
Tordm Destilado 4359ordmC Tordm Fondo 7439
Aunque estos valores configuren el disentildeo de la columna se puede comprobar su efectividad
con las composiciones del destilado y fondos el objetivo en este caso es separar
o pleta e te el propa o e iso uta o del -butano y propano
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
37
Tabla 8 Recuperacioacuten de cada compuesto a la salida de D-1
Componentes Destilado Fondo
Propano 1 66204x10-13
Isobutano 09906 00093
N-butano 00098 09901
Pentano 12887x10-15 1
513 Bomba (B-1)
Las dos liacuteneas de corriente como ya se ha dicho trabajan de distinta forma debido a las
diferentes presiones de trabajo en las columnas de destilacioacuten siguientes En primer lugar se
disentildea la bomba para la liacutenea de isobutano siguiendo los pasos del apartado de simulacioacuten En
este caso se busca aumentar la presioacuten de los 85bar hasta los 155bar Se disentildea una bomba
con una eficiencia isentroacutepica adiabaacutetico y se obtienen los siguientes valores
Tabla 9 Especificaciones de disentildeo de B-1
B-1
Potencia transmitida a
fluido
731kW
Potencia bomba
1223kW
Caudal volumeacutetrico
3759 m3h
Eficiencia
06
Para la impulsioacuten de esta corriente se ha optado por un modelo de bomba centriacutefuga de la
marca KSB ITUR [17] puesto que tras contrastar informacioacuten de distintas fuentes es
considerada como referente en los principales sectores de bombeo Ademaacutes se caracteriza por
una extensa red de ventas
Las curvas caracteriacutesticas se componen de 3 graacuteficas superpuestas
H (m) frente al Q(m3) donde se extrae la eficiencia
NSPH)d vs Q(m3)
Potencia de bomba (W) vs Q (m3)
En primer lugar gracias a la simulacioacuten de Aspen se obtiene le eficiencia y el caudal
volumeacutetrico necesario para introducirlos en las curvas caracteriacutesticas En este caso se calcula la
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
38
altura de trabajo en esta bomba seleccionando primero la bomba adecuada del cataacutelogo
(figura )
Modelo Etaseco G S Serie 40-160 Velocidad de giro de rodete nominal 3500 rpm
Como se observa en la figura 13 se alcanza los 54 m de altura con el funcionamiento de la
bomba en el 725 eficiencia de la bomba que es un rendimiento superior al calculado por el
simulador ya que permite un mayor rango de trabajo a la bomba
Sin embargo el disentildeo de la bomba necesita de la comprobacioacuten de un paraacutemetro importante
como es el NPSH Se define el NPSH disponible como altura neta positiva de succioacuten Se trata
de la diferencia entre la energiacutea que tiene el sistema y la miacutenima necesaria para que el fluido
no vaporice
El NPSH disponible es el teoacuterico cuando el fluido comienza a entrar en la bomba no obstante
este siempre pierde algo de energiacutea al entrar al sistema por el circuito interna de la misma
Esta peacuterdida se nombra como NPSH requerido (que deberiacutea aportar el fabricante) Es preciso
cumplirse que
| ge NPSH|r
siendo 12 un factor de seguridad de disentildeo para que cuando el caudal comience a entrar en la
bomba no haya cavitado
Para el caacutelculo del NPSH disponible se utiliza la siguiente expresioacuten
Figura 16 Curva caracteriacutestica de eficiencia de la bomba
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
39
| = minus ∙ minus ℎ minus ge
Siendo Pv la presioacuten de vapor de isobutano (ya que se supone predominante en la corriente
debido a su composicioacuten) de 304 kPa z es la altura de aspiracioacuten igual a cero y se consideran
nulas la peacuterdida por friccioacuten hf Ademaacutes suponiendo una z como la diferencia de cota entre la
bomba y la altura del equipo de 100m
Se obtiene una altura neta positiva de succioacuten disponible de 4635 m2s2 que al dividirse por la
gravedad resulta de 473 m Seguacuten la curva caracteriacutestica proporcionada por KSB para un
caudal impuesto de 3759 m3h el NPSH requerido resulta ser 15 m (ver figura 14) menor que
el miacutenimo requerido por lo que la bomba seleccionada se considera aceptable
Aunque por la liacutenea de los n-butanos se precisa de la disminucioacuten de presioacuten hasta los 5 bar En
este caso se instala una vaacutelvula adiabaacutetica que reduzca la presioacuten
514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
Para la columna de destilacioacuten (D-2) se trabaja a una presioacuten de 155bar y su disentildeo se detalla
como
Tabla 10 Especificaciones de columna de destilacioacuten de isobutanos (D-2)
Columna de destilacioacuten (D-2)
Nordm Etapas 28 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
13285 kmolh Reflujo 6
Etapa alimen
13
Aporte Eneacuterg
Hervidor
382027kW
Tordm Destilado 4745ordmC Tordm Fondo 8859ordmC
Figura 17 Curva caracteriacutestica del NPSH
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
40
Con estos valores de trabajo se observa que se consigue el objetivo de la columna es decir
una corriente praacutecticamente pura de isobutanos Aunque hay una muy pequentildea fraccioacuten de n-
butanos se considera despreciable con lo cual no se tiene en cuenta en la tabla de
composiciones
Tabla 11 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-2
Componentes Destilado Fondo
Propano 0997 297x10-3
Isobutano 579x10-3 0994
Por la liacutenea principal de proceso se alcanza posterior a la vaacutelvula la destilacioacuten del n-butano
final con una presioacuten de trabajo de 5bar La simulacioacuten de la columna en Aspen proporciona
las siguientes especificaciones
Tabla 12 Especificaciones de columna de destilacioacuten (D-3)
Columna de destilacioacuten (D-3)
Nordm Etapas 23 Tipo de condensador Total
Caudal de
destilado
7655kmolh Reflujo 075
Etapa alimen
14
Aporte Eneacuterg
Hervidor
642395kW
Tordm Destilado 5219ordmC Tordm Fondo 7038ordmC
Para estas especificaciones en la columna se obtiene finalmente la corriente de n-butano que
se utiliza en la zona de reaccioacuten Esta corriente se encuentra formada por una proporcioacuten
despreciable del n-petano la cual no afecta al correcto funcionamiento de los reactores como
se aprecia en la siguiente tabla
Tabla 13 Recuperacioacuten de cada uno de los componentes en D-3
Componentes Destilado () Fondo()
N-butano 099 001
N-pentano 002 098
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
41
Un disentildeo de una columna de destilacioacuten maacutes a fondo incluye el caacutelculo del diaacutemetro de
columna a traveacutes de Aspen Plus [1819] Para poder obtener este valor hay que acceder al
apartado de Sizing and Rating donde se crea una nueva variable donde se ajustan las
especificaciones necesarias como la etapa inicial y final de la columna de destilacioacuten (2 y 22
respectivamente) Ademaacutes se selecciona el tipo de bandeja en este caso de burbujeo Una vez
ajustados estas variables obtenemos un diaacutemetro de columna 215 m Con este diaacutemetro de
columna se puede extraer a traveacutes de tablas de referencias del libro de Treybal [20] el
espaciamiento entre platos como se observa en la tabla 12 los 215 metros de diaacutemetro
corresponden a 06 m
Tabla 14 Referencia de diaacutemetro y espaciamiento de columna de destilacioacuten
En primer lugar para el disentildeo de destilacioacuten hay que elegir el tipo y material de la columna
En este caso se toma como punto de partida el rango nominal [1920 21] del diaacutemetro de
columna (06ltDlt4) cuando el diaacutemetro se encuentra en el rango Dlt06 se selecciona una
columna de destilacioacuten empaquetada mientras que para el rango de Dgt4 es la columna de
platos Como se encuentra entre esas medidas preferenciales se considera la columna de
plato ya que puede ser seleccionada cualquiera de las opciones posibles Al tratarse una
corriente de n-butanos y pentanos se monta una columna de acero al carbono ya que ninguno
de los compuestos no son corrosivos y de eso que no necesite un material maacutes caro que el
mencionado
En la tabla 12 se distinguen las etapas de equilibrio sin embargo hay que tener en cuenta la
eficiencia de cada una de los platos ya que existe resistencia a la transferencia de materia Por
lo que teniendo en cuenta este paraacutemetro se hallariacutea el nuacutemero de etapas reales de
destilacioacuten Para ello trabajando con un sistema multicomponente se elige la correlacioacuten
OacuteConnellacutes cuya ecuacioacuten se representa con E0=51-325log (microααα) Esta ecuacioacuten estaacute basada
principalmente en los datos obtenidos con sistema de hidrocarburos
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
42
Aunque para poder hallar la eficiencia es necesario calcular dos propiedades fiacutesicas de la
corriente de alimentacioacuten En primer lugar la viscosidad de la corriente (cP) que se consigue a
traveacutes del Aspen Plus como un dato maacutes de la corriente Mientras que en el caacutelculo de la
volatilidad se supone que se trata una mezcla ideal con lo cual se obtiene que la volatilidad
viene calculada = Las presiones de vapor tanto del n-butano y n-pentano se calcula a
traveacutes de la ecuacioacuten de Antoine [21]
Tabla 15 Constantes de Antoine para los componentes destilados
Compuestos N-butano N-pentano
A 435576 39892
B 1175581 1070617
C -2071 -40454
En ambos paraacutemetros se obtienen con la temperatura media entre la temperatura de cabeza y
fondos por lo que se calcula aritmeacuteticamente = +
Una vez calculados las propiedades fiacutesicas se introduce en la ecuacioacuten de E0 [22] obteniendo
que E0=65 Por lo que teniendo en cuenta el nuacutemero de platos teoacutericos en la siguiente
ecuacioacuten = 0 se obtiene que el nuacutemero de platos reales son 36 Una vez hallado el
nuacutemero de etapas reales se puede calcular la altura de la torre aproximadamente con la
siguiente ecuacioacuten
Altura de torre (H)=Nordm etapas reales(Na)Espaciamiento de plato(t) dando lugar una altura de
216m
52 Reactores de deshidrogenacioacuten
En esta zona de reaccioacuten constituida por dos reactores se recalca la importancia de la
alimentacioacuten de hidroacutegeno y oxiacutegeno que permitan cerrar el balance energeacutetico Ademaacutes en
ambos reactores es imprescindible controlar las reacciones secundarias ya que pueden reducir
la eficiencia del reactor sobre el n-butano y 1-buteno en los ambos reactores
521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
La corriente de hidroacutegeno obtenida finalmente es de 193kmolh mientras que la corriente de
oxiacutegeno seriacutea de 452736kmolh
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
43
Como se distingue en la tabla 5 se cumple la conversioacuten marcada como objetivo con lo cual se
obtiene el 1-buteno necesario en el siguiente proceso de oxideshidrogenacioacuten Ademaacutes del
caudal de oxiacutegeno en exceso que se utiliza para la siguiente reaccioacuten como parte fundamental
en la oxideshidrogenacioacuten
522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
El reactor de oxideshidrogenacioacuten destaca por su reaccioacuten principal ya que necesita de oxiacutegeno
para reaccionar con el 1-buteno Este reactor trabaja a una temperatura menor de 350ordmC y a la
misma presioacuten por lo que no hace falta instalar ninguacuten elemento de presioacuten En la simulacioacuten
se busca al igual que la deshidrogenacioacuten un Rstoic aunque en este caso habriacutea una reaccioacuten
secundaria diferente En este caso parte del 1-buteno reacciona con el oxiacutegeno para dar
dioacutexido de carbono no deseado Otro aspecto diferencial en este reactor es la conversioacuten ya
que alcanza un valor elevado de 085 sobre el 1-buteno Este paraacutemetro junto al caudal de
butadieno (26714 kmolh apreciables en la tabla 5) permite concluir que el proceso simulado
trabaja de manera eficiente ya que consigue el criterio de disentildeo marcado (produccioacuten anual)
Este reactor nace como alternativa para minimizar las desventajas energeacuteticas de los procesos
actuales de craqueo teacutermico o cataliacutetico para la produccioacuten de butadieno En este caso el
lecho fluidizado elimina la desventaja de la generacioacuten de puntos calientes y caiacutedas de presioacuten
que se tienen en lecho fijo De ahiacute que se necesario un catalizador altamente selectivo para
llevar a cabo una reaccioacuten con alta conversioacuten y selectividad
Para el disentildeo de reactores fluidizados se toma como punto de partida los reactores de
deshidrogenacioacuten oxidativa con adiccioacuten de oxiacutegeno Para modelar el reactor fluidizado con
catalizador multimetaacutelico se considera que ambas fases trabajan como flujo pistoacuten lo que
permite despreciar los efectos dispersivos de transporte
Las condiciones de operacioacuten del reactor son de 350ordmC y 3 bar como se observa en la tabla 2
son valores que se encuentran en valores normales de trabajo en este tipo de reacciones
Mientras que sobre el catalizador utilizado (Mo-Bi-Fe-O) se emplea un catalizador con un
diaacutemetro promedio de 05 cm [23] La cantidad de catalizador se mide en comparacioacuten con la
corriente de alimentacioacuten de n-butenos a traveacutes del paraacutemetro WF cuyo valor en estos
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
44
reactores oscila entre 70 a 25 grcathmolC4H8 Aunque para obtener rendimiento buscado de
85 se utiliza 50 grcathmolC4H8 Se aplica una velocidad de entrada (u0) de reactivo de 05
ms La alimentacioacuten de oxiacutegeno al reactor se ajusta con un coeficiente respecto a la
alimentacioacuten de n-butenos a 2 cumpliendo tambieacuten con las condiciones ideales (C4H8O2=
2671313019)
Finalmente la corriente final de butadieno pasa a la fase de absorcioacuten la cual no se simularaacute
debido a su complejidad esta zona final se encargariacutea de obtener la corriente pura de
butadieno con ayuda de un disolvente
53 Intercambiadores de calor
Durante el apartado de simulacioacuten se sentildealoacute las dos zonas necesarias de intercambiadores de
calor ambas anteriores a la zona de reaccioacuten Empleando la red de intercambiadores se
puede evitar hacer uso de una gran cantidad de corrientes auxiliares
En primer lugar en la entrada de la deshidrogenacioacuten se utiliza un intercambiador (INT-1) que
aproveche la energiacutea que porta la salida del reactor de oxideshidrogenacioacuten Por lo que
simulando este intercambiador en Aspen se obtiene los siguientes resultados en las corrientes
Tabla 16 Temperaturas de corrientes en INT-1
Para el disentildeo del intercambiador el programa de Aspen trabaja con las ecuaciones asociadas
a los intercambiadores de calor = lowast lowast = minusln
U= Coeficiente global de transferencia ( 2)
A=Aacuterea total de intercambiador (m2)
Q=Potencia intercambiada (kW)
DTLM=Diferencia de temperaturas logariacutetmica media de los fluidos de trabajo (K)
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
Salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatu
ra caliente
salida(ordmC)
N-butano (1) 522 340 Butadieno 350 1291
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
45
Para simular correctamente el intercambiador es necesario suponer el U ya que este factor
tiene en cuenta la resistencia que existe a traveacutes del medio del intercambiador a la
transferencia de calor En este intercambiador seraacute de 085 2 y por lo tanto generariacutea las
siguientes especificaciones de disentildeo
Tabla 17 Especificaciones de disentildeo del INT-1
Aacuterea(m2) 31221 Q(kW) 870335
DTLM(K) 3279
Como se aprecia no se alcanza el objetivo de los 500ordmC de ahiacute que se necesite de otro
intercambiador como ya se supuso antes de realizar la simulacioacuten Esto conlleva la aplicacioacuten
de un segundo intercambiador que aprovecha la corriente de salida de la deshidrogenacioacuten
consiguiendo las siguientes temperaturas
Tabla 18 Temperaturas de las corrientes en INT-2
Aunque se ha aprovechado las corrientes de la manera maacutes eficiente posible se aprecia la
necesidad de emplear una corriente de vapor para hacer frente al aumento de temperatura
necesario y de igual manera una corriente de agua Se ha decidido utilizar una corriente de
vapor (150 kmolh) a una temperatura de 775ordmC y un bar para calentar hasta los 500ordmC la
entrada final del n-butano llegando a
Tabla 19Temperaturas de las corrientes en INT-3
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (2) 340 490 1-Buteno 500 3688
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatur
a caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
N-butano (3) 490 500 Vapor 775 5245
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
46
Se utiliza ademaacutes una corriente de agua (60kmolh) a 50ordmC y 1 bar que permite enfriar la
entrada al reactor de oxideshidrogenacioacuten consiguiendo
Tabla 20 Temperaturas de las corrientes en INT-4
Procediendo de la misma manera que en el disentildeo del INT-1 se ajusta los paraacutemetros para
obtener las especificaciones del INT-4
Tabla 21 Especificaciones de disentildeo del INT-4
Aacuterea(m2) 36 Q(kW) 79817
DTLM(K) 26144
Corriente
friacutea
entrada(ordmC)
Temperatur
a friacutea
Entrada(ordmC)
Temperatura
friacutea
salida(ordmC)
Corriente
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
entrada(ordmC)
Temperatura
caliente
salida(ordmC)
Agua 50 1126 1-Buteno (2) 39881 350
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
47
5 Bibliografiacutea
[1] Ull a rsquos E lopedia of I dustrial Chemistry Vol Butadieno
[2] httpwwwreuterscomarticleidUS210030+20-Nov-2012+BW20121120 Resear h a d Markets Butadie e Glo al Market to No
[3] httpswwwamericanchemistrycomProductsTechnologyOlefinsButadiene-Product-
Stewardship-Guidance-Manualpdf BUTADIENE PRODUCT STEWARDSHIP GUIDANCE
MANUAL A ril
[4] Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Volu e Butadie e
[5] httpwwwdowcomproductsafetyassessfinderhtm Produ t ldquoafety Asseessment
Butadie e
[6] httpsesscribdcomdoc312977146Project-Report-of-Production-of-Butadiene-from-
Butane-part-1-docx Proje t report of produ tio utadie e
[ ] Produ tio of -Butadie e fro Prop le e U i ersit of Pe s l a ia Abril 2015
[8] httpwwwgooglecompatentsUS7034195 Method for the produ tio of utadie e from n- uta e
[9] Perr RH a d Gree D es Perr rsquo s Che i al E gi eers Ha d ook ldquoe ta edi ioacute McGraw-Hill New York 1984
[10] httpsesscribdcomdoc221406471Metodo-Rad-Frac-Columnas-de-Fraccionamiento-
Con-Aspen Meacutetodo RadFra -Colu as de Fra io a ie to o Aspe
[11] httpnefthimcommanualbutane-isomerization Buta e Iso erizatio Joi t ldquoto k Company Scientific Industrial Enterprise Neftehim
[12] httpsesscribdcomdoc142056411ISOMERIZACION IldquoOMERI)ACIOacuteN U i ersidad Nacional Experimental Politeacutecnica de la Fuerza Armada (Departamento de Ingenieriacutea
Petroquiacutemica)
[ ] The H droiso erizatio of Buta e to Iso uta e U i ersit of Al erta De e er
[14] Nue a pla ta de Butadie o de Braske Ode re ht A ril
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
48
[ ] Co presores de pro eso Po er ge eratio Oil ampGas a d I dustrial Appli atio s Siemenes Cataacutelogo de compresores centriacutefugo
[ ] ldquoele ioacute del tipo de o presor Ma ual de disentildeo de pro eso de o presores PDVSA
[ ] Cataacutelogo de o as or alizada Etrase oEtrase o-I KldquoB
[18] Disentildeo e i ple e ta ioacute de u soft are de si ula ioacute para la e alua ioacute de olu as de destila ioacute U i ersidad ldquoi oacute Boliacute ar
[19] Disentildeo de olu as de destila ioacute utiliza do Aspe Plus Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica Universidad de Guanajuato Campus Guanajuato Octubre 2009
[20] Opera io es de Tra sfere ia de Masa Ro ert E Tre al
[21] NIST (National Institute of Standard san Technology) NIldquoT Che istr WekBook
[22] Caacutel ulo de efi ie ia de olu a de destila ioacute de platos Departa e to de I ge ieriacutea Quiacutemica y bioquiacutemica Instituto tecnoloacutegico de ciudad Madero
[23] Modelado del o porta ie to de u a rea ioacute de O ida ioacute Cataliacuteti a e u Rea tor de
Le ho Fluidizado O tu re Tesis para el grado de aestra e ie ias e i ge ieriacutea quiacutemica IA Ilda Olivia Santos Mendoza
- Agradecimientos
- Resumen
- Abstract
- Iacutendice
- Iacutendice de Tablas
- Iacutendice de Figuras
- 1 Alcance y objetivo
- 2 Introduccioacuten
-
- 21 Caracteriacutesticas de butadieno
- 22 Aplicaciones
- 23 Potencial de exposicioacuten
- 24 Procesos comerciales de butadieno
-
- 241 Craqueo con vapor de hidrocarburos parafiacutenicos
- 242 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica de n-butano y n-buteno (proceso Houdry)
- 243 Deshidrogenacioacuten oxidativa de n-buteno
-
- 3 Descripcioacuten del proceso
-
- 31 Etapas de produccioacuten
-
- 311 Preparacioacuten y purificacioacuten de n-butano
- 312 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica no oxidativa de n-butanos
- 313 Deshidrogenacioacuten cataliacutetica oxidativa de n-butenos
- 314 Separacioacuten de butadieno
-
- 4 Simulacioacuten de proceso con Aspen Plus
-
- 41 Tratamiento de la corriente de alimentacioacuten
-
- 411 Modelo de simulacioacuten de columna de destilacioacuten
-
- 42 Deshidrogenacioacuten de n-butano
-
- 421 Modelo de simulacioacuten de reactores
-
- 43 Integracioacuten energeacutetica
- 44 Equipos reguladores de presioacuten
- 45 Destino final del isobutano separado
-
- 5 Memoria de caacutelculo y disentildeo de equipos
-
- 51 Fase de tratamiento
-
- 511 Compresor (C-1)
- 512 Columna de destilacioacuten (D-1)
- 513 Bomba (B-1)
- 514 Columnas de destilacioacuten (D-2 y D-3)
-
- 52 Reactores de deshidrogenacioacuten
-
- 521 Reactor de deshidrogenacioacuten no oxidativa
- 522 Reactor de oxideshidrogenacioacuten y disentildeo
-
- 53 Intercambiadores de calor
-
- 5 Bibliografiacutea
-
