Producción de acetona
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DAIA (División Académica de Ingeniería y Arquitectura) Asignatura: Diseño de procesos Catedrático: Alumnos: Proyecto final: Planta de Producción de Acetona por deshidrogenación de alcohol isopropílico. Fecha de entrega: UNIVERSIDAD JUÁREZ AUTÓNOMA DE TABASCO
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DAIA (División Académica de Ingeniería y Arquitectura)
Asignatura: Diseño de procesos
Catedrático:
Alumnos:
Proyecto final: Planta de Producción de Acetona por deshidrogenación
de alcohol isopropílico.
Fecha de entrega:
UNIVERSIDAD JUÁREZ
AUTÓNOMA DE
TABASCO
1
1. INTRODUCCIÓN
Los alcoholes son compuestos orgánicos que contienen grupos hidroxilo (-OH). La
palabra alcohol es uno de los términos más antiguos, el cual se deriva del árabe
al-Kuhn. Una forma de organizar la familia de los alcoholes es clasificar cada
alcohol de acuerdo con el tipo de carbono que sea portador del grupo –OH y se
pueden clasificar como primario, secundario y terciario. Un alcohol secundario
tiene el grupo –OH unido a otros dos átomos de carbono. Un ejemplo de un
alcohol secundario es el alcohol isopropilico (CH3-CH2-OH) o también llamado
isopropanol, propan-2-ol, o 2-propano o API que se produce por la hidratación
catalítica del propileno. Este se trata de un compuesto químico incoloro, inflamable
y con un fuerte olor. Es un compuesto orgánico, que se utiliza ampliamente como
disolvente. Se utiliza mucho en la industria y uno de sus usos es como alcohol
desinfectante en lugar del etanol. Al igual que se utiliza como disolvente para
ceras, aceites vegetales, resinas naturales y sintéticas, ésteres y éteres de
celulosa [1].
También mediante la deshidrogenación catalítica del alcohol isopropílico.se puede
obtener la acetona o químicamente conocida como propanona (CH3-CO-CH3), la
cual es la cetona alifática más sencilla y es un líquido incoloro, muy volátil y de
olor agradable, inflamable y miscible con agua, etanol y éter. La cual se usa en
disolventes y en la preparación de diversos compuestos orgánicos [2].
La acetona, por ser el compuesto químico más importante de la familia de las
cetonas, debido a su utilidad como solvente y producto químico intermediario, se
produce en el mundo a escala industrial desde inicios del siglo XX. Entre las
industrias de procesos que más la emplean se encuentran: la industria de gases
industriales, pinturas, colorantes, gomas y lacas, cosméticos, y las productoras de
materiales fílmicos y fotográficos. Éste constituye uno de los reactivos más
codiciados por los laboratorios de investigación científica [3].
Un estudio de mercado realizado por la empresa Market Research Reports Search
Engine dio a conocer que el consumo mundial de acetona se situó en 5,9 millones
2
de toneladas en 2014. Con el aumento de la demanda de acetona, se espera que
el consumo mundial aumente a una tasa compuesta anual del 3% entre 2014 y
2020 para llegar a 7,21 millones de toneladas en 2020. Asia y el Pacífico
dominaron el mercado de acetona en 2014 con más de 41% del consumo mundial.
Debido al creciente número de industrias de uso final de la región, la demanda de
acetona se ha incrementado significativamente. Se espera que Asia-Pacífico para
mantener su dominio en un futuro próximo, crezca a una tasa compuesta anual del
6,2% entre 2014 y 2020 [4].
3
INDICE
1. Introducción ……….1
2. Marco teórico ……….5
2.1 proceso de producción de acetona ……….8
3. Bases de diseño ……….9
3.1 Generalidades ……….10
3.1.1 Función de la planta ……….10
3.1.2 Tipo de proceso ……….10
3.2 Capacidad, rendimiento y flexibilidad ……….10
3.2.1 Factor de servicio ……….10
3.2.2 Capacidad y rendimiento ……….10
3.2.3 Flexibilidad ……….10
3.3 Especificación de alimentación del proceso ……….11
3.4 Especificación de los productos ……….11
3.5 Alimentación de la planta ……….11
3.5.1 condiciones de alimentación en limites de batería ……….11
3.5.2 Elementos de seguridad ……….12
3.6 Corrientes de salida de la planta ……….12
3.6.1 Condiciones de producto en límites de batería ……….12
3.7 Eliminación de desechos ……….13
3.7.1 Normas y requerimientos respecto a la pureza y
condiciones de aguas residuales ……….13
3.7.2 Sistema de eliminación de desechos ……….13
3.8 Instalaciones requeridas de almacenamiento ……….13
3.8.1 Alimentación ……….13
3.8.2 Productos ……….14
3.9 Servicios auxiliares ……….14
3.9.1 Vapor ……….14
3.9.2 Aire ……….14
4. Diagrama de entrada y salida (DES) ……….15
4
5. Diagrama de flujo de bloques (DFB) ……….16
5.1 Descripción del DFB ……….16
6. Diagrama de flujo de proceso (DFP) ……….18
6.1 Desarrollo del proceso para la obtención de acetona ……….18
7. Balance de masa del proceso ……….21
8. Diagrama de tuberías e instrumentación del proceso (DTI) ……….25
9. Dimensionamiento y características de los equipos del proceso ……….27
9.1 Tuberías ……….27
9.2 Válvulas ……….28
9.3 Bombas ……….29
9.4 Dimensionamiento y diseño de los equipos del proceso ……….32
9.4.1 Mezclador, separador y tanques de almacenamiento ……….32
9.4.2 Reactor ……….32
9.4.3 Intercambiadores de calor ……….33
9.4.4 Columnas de destilación ……….34
9.4.5 Columna de absorción ……….36
10. Referencias bibliográficas ……….37
5
2. MARCO TEÓRICO
El alcohol isopropílico es un líquido incoloro de olor agradable. Su punto de
ebullición es de 825oC a 760 mmHg y su punto de fusión de -88.5 oC. Su densidad
relativa es igual a 0.785 a 20 oC/ 4 oC. Su solubilidad en agua es de 1x106 a 25 oC.
Su solubilidad en alcohol, éter y acetona es menor del 10%. Es soluble en
benceno. Es miscible en cloroformo y la mayoría de los disolventes orgánicos. Es
insoluble en soluciones salinas. Su presión de vapor es igual a 45.4 mmHg a 25 oC. Mezclado con agua, es muy utilizado en la limpieza de lentes de objetivos
fotográficos y todo tipo de ópticas. Sirve para limpiar contactos de aparatos
electrónicos, ya que no deja marcas y es de rápida evaporación. También se usa
en la limpieza de cabezas magnéticas en aparatos de vídeo, audio y como
antiestático en discos de vinilo.
El alcohol isopropílico es un líquido incoloro, que hierve a 82.4°c (355.6k)
industrialmente se obtiene a partir del propeno de los gases de craqueo .se utiliza
ampliamente como disolvente. Se añade a la gasolina como anticongelante, y se
utiliza en la industria como materia prima para la síntesis de acetona. La fórmula
molecular C3H8O [5].
Figura 1. Fórmula del alcohol isopropílico.
Tomada de referencia 5
El alcohol isopropílico ha alcanzado una gran importancia, porque a partir de él se
obtiene la acetona elegantemente y muy barata. Se le prepara a partir del
propileno CH3-CH=CH2 por adición de agua de forma enteramente análoga a
como se hace con el etileno para obtener el etanol [6].
La acetona es una sustancia química que también se encuentra de forma natural
en el medio ambiente. También se conoce como dimetil cetona, 2-propanona. Es
6
un líquido incoloro con un olor y un sabor característicos. Se evapora fácilmente,
es inflamable y se disuelve en el agua. La acetona se usa para hacer plásticos,
fibras, medicamentos y otros productos químicos. También se usa para disolver
otras sustancias. Se produce de forma natural en las plantas, los árboles, los
gases volcánicos, incendios forestales y como producto de la descomposición de
la grasa corporal. Está presente en el escape de vehículos, en el humo del tabaco
y en los vertederos. Los procesos industriales aportan más acetona al medio
ambiente que los procesos naturales [6].
Figura 2. Fórmula de la acetona.
Tomada de referencia 6
A la hora de producir acetona se presentan diferentes métodos de los cuales se
destacan tres:
Proceso de cumeno: el más común a nivel mundial, pero como producto
secundario está el benceno (que además es cancerígeno) bajando la
pureza de la acetona y aumentando los costes de producción por la
separación.
Oxidación de polipropileno: que tiene una baja conversión de acetona y la
pureza de los reactivos debe de ser del 99%.
Deshidrogenación de alcohol isopropílico (IPA): se obtiene acetona de alta
pureza, el IPA se puede utilizar en solución acuosa y la conversión de
acetona es alta.
7
Por lo cual teniendo en cuenta los puntos anteriores, se propone desarrollar el
diseño de la planta para la producción de acetona mediante la deshidrogenación
de alcohol isopropílico [7].
Al momento de llevar a cabo la reacción de deshidrogenación del alcohol
isopropílico, es indispensable hacer uso de un catalizador, convirtiéndose en una
reacción por catálisis heterogenea, que como se sabe, es un proceso químico que
tiene lugar en la interfase entre un sólido y un fluido; por lo tanto, la efieciencia del
catalizador se puede relacionar con su capacidad para favorecer la difusión, entre
el sólido y el seno del fluido, de las sustancias adsorbidas o desadsorbidas, así
como su habilidad para peritir la transferencia de electrones durante el
rompimiento de los enlaces de los reactantes y la formación de los enlaces de los
productos [8].
El catalizador que se pretende utilizar es el Niguel Raney, dicho catalizador tiene
alta selectividad en comparación con los catalizadores de Platino o Paladium. El
catalizador contiene 85 % Ni en peso, el tamaño del catalizador es de 1/40
pulgadas y el área de superficie BET está comprendida entre 50 - 500 m2/g. El
tamaño de la partícula del catalizador tiene mucha influencia sobre el proceso de
deshidrogenación del alcohol isopropílico para obtener acetona, influyendo
principalmente en el tiempo espacial, actividad relativa y en la constante de
reacción.
La actividad relativa es equivalente a la proporción de tamaño para dos reactores
que acompañan la misma conversión, condiciones de operación de temperatura,
presión y composición de alimentación. Cuando es empleado el catalizador con un
tamaño de partícula de 1/8 pulgada el reactor es siete veces más largo que cuando
se utiliza 1/40 pulgada.
El tiempo de espacio mínimo que podría ser empleado a una temperatura dada
para producir acetona puro es aquel tiempo de espacio requerido para obtener
una alta conversión de alcohol isopropílico a acetona. Se utiliza un catalizador de
tamaño de partícula 1/40 pulgada que requiere un tiempo de espacio comprendido
8
entre 0.05 - 0.15 peso catalizador - h/peso total de alimentación a la temperatura
de 350 °C, siendo la reacción de primer orden.
2.1 Proceso de producción de acetona:
El alcohol isopropílico se deshidrogena para obtener acetona e hidrógeno [9]:
Alcohol isopropílico Acetona Hidrógeno
(CH3)2CHOH (CH3) 2 CO + H2
En el proceso se tendrá una mezcla azeotrópica de alcohol isopropílico y agua;
90% en peso de alcohol isopropílico, que será alimentado a un tanque de
alimentación a una temperatura de 25°C y 1.01 bares de presión donde se
mezclará con una corriente de reciclo de alcohol isopropílico a 83°C y a 1.2 bares.
La mezcla se bombeará hacia un intercambiador de calor a una temperatura de
operación de 32°C y una presión de salida de 3.10 bares donde se vaporizará la
mezcla de alcohol isopropílico antes de que se pueda ingresar a un reactor. La
vaporización se debe llevar a cabo a 101°C y 2.3 bares. Para que la reacción se
lleve a cabo de manera eficiente se recomienda que el reactor sea de lecho
fluidizado y éste deba operar a 2.16 bares en el lecho y 2.70 bares en los tubos y
a una temperatura de 350 °C, se debe suministrar calor al reactor, por cual se
determina como una reacción endotérmica, para ello se debe utilizar una corriente
de sal fundida.
El efluente del reactor, que contiene acetona, hidrógeno, agua y alcohol
isopropílico no reaccionado, pasará a través de un intercambiador de calor para
enfriar la mezcla de 350°C a 20°C antes de que ingrese a un separador. El vapor
que saldrá del separador, se conducirá a un absorbedor, a la cual le llegará una
corriente de agua a 20°C y 2 bares con la finalidad de recuperar una parte de
acetona. Luego, la corriente líquida obtenida por los fondos del separador, se
mezclará con la corriente proveniente del absorbedor la cual contendrá la acetona
que se recupere para luego ser enviado a destilación.
9
Los gases no condensables que salen del absorbedor por el tope, contendrán todo
el hidrógeno y pequeñas cantidades de acetona.
La corriente rica en acetona producto de las corrientes líquidas del separador y el
líquido de fondos del absorbedor se enviará a un tren de tres columnas de
destilación para recuperar la acetona y el alcohol isopropílico. Estas torres serán
utilizadas para separar el producto, acetona con un 99.9% de pureza por el tope
de la columna de destilación y así eliminar el exceso de agua en el alcohol
isopropílico no reaccionado. El alcohol isopropílico recuperado, será reciclado
nuevamente al proceso [10].
3. BASES DE DISEÑO
Nombre de la planta: CETOMAX
Fecha: 02 de Junio de 2015
Localización: Av. Jacarandas, Begonias, Coatzacoalcos, Veracruz.
18o 08’ 13.6’’ Norte
94o 27’ 59.8’’ Oeste
10
3.1 Generalidades
3.1.1 Función de la planta:
Obtención de dimetilcetona (acetona) a partir de la reacción de deshidrogenación
de alcohol isopropílico, utilizando paladio como catalizador.
3.1.2 Tipo de proceso:
Proceso continuo.
3.2 Capacidad, rendimiento y flexibilidad
3.2.1 Factor de servicio:
La planta operará durante 10/12 meses, excluyendo diciembre y enero.
3.2.2 Capacidad y rendimiento:
a) Diseño. Se obtendrán 32.3 moles/h de acetona por cada 34.8 moles/h
alimentados de alcohol isopropílico (base libre de agua).
b) Normal. Aproximada a la de diseño, se estima una variación de 10%.
c) Mínima. Se explica en base a factores como la desactivación del catalizador
o al rendimiento de las columnas de destilación, podría disminuir hasta 15%
inferior a la de diseño.
3.2.3 Flexibilidad:
La planta deberá seguir operando bajo las siguientes condiciones anormales:
a) Falla de electricidad. Sí. Se ha previsto la adquisición de generadores
propios.
b) Falla de vapor. No. Hasta reponer el vapor saturado que se necesita.
c) Falla de aire. Sí. Podría operarse alternativamente con un intercambiador
de calor para enfriar el agua.
11
Se dispone de un área de 200 m2 para posibles expansiones futuras de acuerdo a
los requerimientos de la planta. Si se diera el caso de que la demanda de producto
fuera mayor, se contaría con el espacio y recurso necesario para aumentar la
capacidad de la planta.
Para operar, se requieren los servicios auxiliares de vapor de calentamiento, aire
para enfriar el agua y energía eléctrica para el funcionamiento de las bombas.
3.3 Especificaciones de las alimentaciones de proceso
a) Alimentación principal al tanque de almacenamiento: 2.4 ton/h de una
mezcla azeotrópica de alcohol isopropílico y agua, 90% en peso de alcohol.
b) Alimentación al absorbedor: 0.36 ton/h de agua pura.
3.4 Especificaciones de los productos
a) Producto principal: 1.88 ton/h de acetona pura.
b) Otras corrientes que salen del proceso: 0.24 ton/h de hidrógeno gaseoso y
0.65 ton/h de aguas residuales.
3.5 Alimentación de la planta
3.5.1 Las condiciones de las alimentaciones en límites de batería son las
que se muestran en la tabla 1:
Tabla 1. Condiciones de las alimentaciones en los límites de batería.
Alimentación Estado
físico
Presión
manométrica
(kg/cm2)
máx/nor/mín
Temperatura
(oC)
máx/nor/mín
Forma de
recibo
Mezcla alcohol
isopropílico -
agua
Líquido -/1.03/- 35/25/15 Compra /
Recirculación
12
Agua pura Líquido -/2.04/- 35/25/15
Compra
/Proveniente de
otra unidad
3.5.2 Elementos de seguridad existentes que protegen a las líneas de
alimentación:
Diques alrededor del tanque de almacenamiento, donde se aloja la alimentación
principal.
3.6 CORRIENTES DE SALIDA DE LA PLANTA
3.6.1 Las condiciones de los productos en los límites de batería son los que
se muestran en la tabla 2.
Tabla 2. Condiciones de los productos en los límites de batería.
Corriente de
salida
Estado
físico
Presión
manométrica
(kg/cm2)
máx/nor/mín
Temperatura
(oC)
máx/nor/mín
Destino
Acetona pura
(producto
principal)
Líquido -/1.53/- 51/61/71 Almacenamiento y
venta
Hidrógeno Gaseoso 1.53 24/34/44
Otra planta, para
utilizarse como
combustible
Alcohol
isopropílico
recuperado
Líquido -/1.22/- 73/83/88 Recirculación al
proceso
Aguas
residuales
Líquido –
Gas -/1.43/- 100/109/119
Torre de
enfriamiento
13
3.7 ELIMINACIÓN DE DESECHOS
3.7.1 Normas y requerimientos respecto a la pureza y condiciones de:
Aguas residuales (Corriente a 109oC)
NMX – AA – 007 – SCFI – 2013
Las temperaturas elevadas en el agua pueden ser indicadores de actividad
biológica, química y física, lo anterior tiene influencia en los tratamientos y
abastecimientos para el agua, así como en la evaluación limnológica de un cuerpo
de agua. El valor de temperatura es un criterio de calidad del agua para la
protección de la vida acuática, ya que las altas temperaturas afectan la solubilidad
del oxígeno en el agua (ley de Henry) y para las fuentes de abastecimiento de
agua potable, es también un parámetro establecido como límite máximo en las
descargas de aguas residuales.
3.7.2 Sistemas de eliminación de desechos:
Para cumplir con la norma anterior, es necesario disminuir la temperatura del agua
residual antes de ser descargada (el agua residual proviene de un tren de
columnas de destilación y por ello se ignoran las trazas insignificantes que
pudieran existir de otros compuestos). Para ello, es necesario enviarla a una torre
de enfriamiento, en la cual, al ponerse en contacto a contracorriente con aire bajo
condiciones adiabáticas, se enfriará hasta una temperatura aproximada a la
temperatura de bulbo húmedo del lugar, la cual es aproximadamente 24.1oC,
temperatura que sí es permitida en el agua residual y que no afectará a la vida
acuática.
3.8 INSTALACIONES REQUERIDAS DE ALMACENAMIENTO
3.8.1 Alimentaciones:
Tanques de almacenamiento.
14
3.8.2 Productos:
Tanques de almacenamiento, torre de enfriamiento.
3.9 SERVICIOS AUXILIARES
3.9.1 Vapor
El vapor no será generado dentro de los límites de batería. Se utiliza vapor
sobrecalentado con las condiciones que se muestran en la tabla 3.
Tabla 3. Vapor en límites de batería.
Mínima Normal Máxima
Presión (bar) 2.4 2.7 3.0
Temperatura
(oC) 130 145 160
Calidad >1 >1 >1
Disponibilidad Proviene del
caldero
Proviene del
caldero
Proviene del
caldero
3.9.2 Aire
El aire a dichas temperaturas es necesario para que exista el gradiente de
temperatura en la torre de enfriamiento, con las condiciones que se detallan en la
tabla 4.
Tabla 4. Aire en límites de batería.
Mínima Normal Máxima
Presión (bar) 1.5 1.6 1.7
Temperatura (oC) 14oC 19oC 24oC
Disponibilidad [Torre de tiro
inducido]
[Torre de tiro
inducido]
[Torre de tiro
inducido]
15
4. DIAGRMA DE ENTRADA Y SALIDA (DES)
Figura 3. Diagrama de flujo de entrada y salida del proceso para la obtención de
acetona.
16
5. DIAGRAMA DE FLUJO DE BLOQUES (DFB)
5.1 Descripción del diagrama de flujo de bloques que se presenta en la figura 4.
Una mezcla de alcohol isopropílico y agua (90% en peso de alcohol isopropílico),
es alimentado a un tanque de alimentación, donde se mezcla con una corriente de
reciclo de alcohol isopropílico. Esta mezcla se vaporiza antes que ingrese al
reactor. El reactor es de lecho fluidizado de acero inoxidable. El efluente del
reactor, que contiene acetona, hidrogeno, agua y alcohol isopropílico no
reaccionado, es enfriado antes de que ingrese al separador. El vapor que sale del
separador, es conducido al absorbedor, una torre de relleno con anillos Rashing, a
la cual le llega una corriente de agua con la finalidad de recuperar una parte de
acetona, luego la corriente liquida obtenida por los fondos del separador, se
mezcla con la corriente proveniente del absorbedor el cual contiene acetona que
ha sido recuperada para luego ser enviada al tren de destilación. Los gases que
salen del absorbedor por el tope contienen todo el hidrógeno y en pequeñas
cantidades acetona, alcohol Isopropílico y agua, se envían a otra planta con la
finalidad de recuperarlos y utilizarlo como combustible para la alimentación de
otros equipos. La corriente rica en acetona producto de la corriente liquida del
separador y de los fondos del absorbedor se envía a un tren de columnas de
destilación para la recuperación de acetona y alcohol isopropílico. Estas torres son
utilizadas para separar el producto, acetona con alto grado de pureza por el tope
de dicha columna y seguidamente, en otra columna, eliminar el exceso de agua en
el alcohol isopropílico no reaccionado. El alcohol isopropílico recuperado, es
reciclado nuevamente al proceso.
17
Figura 4. Diagrama de flujo de bloques (DFB) para el proceso de obtención de acetona. (Cantidades dadas en ton/h)
18
6. DIAGRAMA DE FLUJO DEPROCESO (DFP).
6.1 Desarrollo del proceso para la obtención de acetona.
El proceso diseñado para el proyecto se muestra en la Figura N°5 (diagrama de
flujo de proceso, DFP). Una mezcla azeotrópica de alcohol isopropílico y agua
(90% en peso ALCOHOL ISOPROPILICO) (corriente 1), es alimentado mediante
una válvula de control al tanque de alimentación (V-401) a la temperatura de 25°C
y 1.01 bares de presión donde se mezcla con una corriente de reciclo, corriente
14, de alcohol isopropílico a 83 °C y 1.2 bares. Esta mezcla se bombea a través
de una bomba de alimentación P- 401ª/B hacia el intercambiador de calor, E-401,
a la temperatura de operación de 32 °C y una presión de salida de 3.10 bares
donde se vaporiza la mezcla de alcohol Isopropílico antes que ingrese al reactor.
La vaporización se lleva a cabo a 101 °C y 2.3 bares. El reactor R- 401 opera a
2.16 bares en el lecho y 2.70 bares en los tubos y a una temperatura de 350 °C,
es un reactor de lecho fluidizado de acero inoxidable, se le suministra calor al
reactor por medio de un quemador, H-401, en el cual se alimenta la corriente 4 a
través de la bomba P-402ª/B, siendo esta una reacción endotérmica, para ello
utiliza una corriente circulante de sal fundida.
El efluente del reactor, corriente 3, que contiene acetona, hidrogeno, agua y
alcohol isopropílico no reaccionado, pasa a través de los intercambiadores E -402
y E-403 para enfriar la mezcla de 350 °C a 20 °C antes de que ingrese al
separador V-402. El vapor que sale del separador, corriente 5, es conducido al
Absorbedor, una torre de relleno con anillos Rashing que opera a 1.6 bares, T-
401, la cual le llega una corriente de agua a 20 °C y 2 bares con la finalidad de
recuperar una parte de acetona, corriente 8. Luego la corriente líquida obtenido
por los fondos del separador V-402, corriente 9, se mezcla con la corriente
proveniente del absorbedor, corriente 6, el cual contiene acetona que ha sido
recuperado para luego ser enviado al tren de destilación.
Los gases no condensables que salen del Absorbedor T-401 por el tope, corriente
7, que contiene todo el hidrogeno y en pequeñas cantidades acetona, alcohol
19
Isopropílico y agua a 34 °C y 1.50 bares se envían a la planta de fuerza con la
finalidad de recuperarlos y utilizarlo como combustible para la alimentación del
caldero. La corriente rica en acetona producto de las corrientes liquida del
separador V-402 y de los fondos del Absorbedor T-40, corrientes 6 y 9, se envía a
un tren de columnas de destilación T-402 y T-403, para la recuperación de
acetona y alcohol isopropílico. La columna T-402 es alimentada por el líquido de
fondos del separador y del absorbedor, por el tope de esta columna, los gases
pasan a través del condensador E-404, que alimenta al tanque de
almacenamiento V-403, los gases no condensables que contienen Hidrógeno en
su mayor parte, corriente 16, son mandados a la planta de fuerza. Mientras que el
producto que sale de fondo del tanque V-403, es el acetona con 99.9% de pureza,
corriente 11, parte del producto recuperado es alimentada nuevamente a la torre
T-402, corriente 10, por medio de la bomba P-403A/B mediante una válvula de
control. El producto de fondos de la torre T-402, corriente 12, es alimentado a la
segunda torre de destilación T-403, por medio de la bomba P-404A/B. El líquido
de fondos de la torre T-403, corriente 15, se alimenta al intercambiador de calor E-
402 por medio de una válvula de control y es enviado a la planta de fuerza (la cual
está fuera de los límites de batería), como agua residual. El producto que sale por
el tope de la torre T-403, es alimentado al tanque de almacenamiento V-404, el
cual contiene alcohol isopropílico, mismo que es alimentado nuevamente a la torre
T-403, corriente 13, y recirculado al tanque de almacenamiento V-401, corriente
14, por medio de la bomba P-405A/B.
20
Figura 5. Diagrama de flujo del proceso (DFP).
21
7. BALANCE DE MASA DEL PROCESO
Estequiometria de la reacción:
Alcohol isopropílico Acetona Hidrógeno
(CH3)2 CHOH (CH3)2 CO + H2
Entonces:
1 mol de alcohol isopropilico 1 mol de cetona
Pero realmente se desea una producción de 1200 kg/h de cetona
Pasando esta masa a moles:
C x 3 = 36.033
H x 6 = 6
O x 1 = 16
Total = 58.033 kg/kg mol
𝑛 =𝑚
𝑃.𝑀
𝑛 = 1200 𝑘𝑔
58.033 𝑘𝑔/𝑘𝑔 𝑚𝑜𝑙
n= 20.67 kg mol
Entonces:
1 kgmol (CH3)2 CHOH 1 kg mol (CH3)2 CO
X 20.67 kg mol de acetona
20.67 kg mol de (CH3)2 CHOH
22
Convirtiéndolo a masa:
n= 20.67 kg mol de alcohol isopropílico (CH3)2 CHOH
𝑛 =𝑚
𝑃.𝑀. 𝑚 = 𝑛(𝑃. 𝑀. )
P.M. (CH3)2 CHOH= 60.033 kg/kg mol
m= (20.67 kg mol)(60.033 kg/kg mol)
m= 1240.882 kg de alcohol isopropílico
Se requieren de 1240.882 kg de alcohol isopropílico por hora para producir 1200 kg/h
de acetona.
Entonces:
Si en la alimentación entran 90% de alcohol y 10% de agua, estarán entrando en
realidad:
90% 1240.882 kg
100% X
X= 1378.75 kg/h de una mezcla compuesta por un 90% alcohol isopropilico y 10%
agua.
Ese 10% de agua (137.87 kg) se recupera como agua residual al final del proceso. De
los 1240.008 kg/h de alcohol alimentado que reaccionan, se producen 1200 kg de
acetona.
23
Dónde:
F= Alimentación alcohol-agua 90%
F1= Acetona
F2= Hidrógeno
F3= Agua residual
Realizando el balance global
F= F1 + F2 + F3
Despejando F2 para saber la salida de hidrógeno del proceso:
F2= F – F1 – F3
F2= (1378.75 – 1200 – 137.87) kg/h
F2= 40.13 kg/h de H2
Podemos recalcar que para el balance global de masa no se tomó en cuenta el reciclo
de alcohol isopropílico ya que la cantidad que se recupera es muy poca, por lo tanto
despreciable, ya que al tener esa pequeña cantidad de alcohol en la acetona no
disminuye la concentración de la misma de modo significativo, además de que al estar
presente en la acetona no representa problema alguno ya que por sus propiedades el
alcohol isopropilico se utiliza como solvente de compuestos no polares.
24
Tabla 5. Cuadro de resumen de las corrientes para el proceso de obtención de acetona mostrado en la Figura 5.
Número de
corriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Temperatura 25 32 350 357 20 27 33 25 22 61 61 90 83 83 109 33
Presión 1.01 2.3 1.91 3 1.63 1.63 1.5 2 1.63 1.5 1.5 1.4 1.2 1.2 1.4 1.2
Fracción de
vapor 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1
Flujo másico
(ton/h) 2.4 2.67 2.67 35.1 0.34 0.46 0.24 0.36 2.79 4.22 1.88 0.92 8.23 0.27 0.65 0.24
Flujo molar
(kmol/h) 51.9 57.8 92.6 - 39.7 21.1 38.6 20 74 72.5 32.3 41.7 177 5.88 35.8 38.6
Componentes flujo molar (kmol/h)
Hidrógeno - - 34.7 - 34.7 0 34.7 - 0 - - - - - - 34.7
Acetona - 0.16 34.9 - 4.4 1.93 2.51 - 32.3 72.4 32.3 0.16 4.82 0.16 - 251
Alcohol
isopropílico 34.8 38.6 3.86 - 0.12 0.1 0.02 - 3.84 0.05 0.02 3.82 115 3.82 - 0.02
Agua 17.1 19 19 - 0.4 19.1 1.29 20 37.8 - - 37.8 57.2 1.9 35.8 1.29
25
8. DIAGRAMA DE TUBERÍAS E INSTRUMENTACIÓN (DTI)
Figura 6. Diagrama de tuberías e instrumentación (DTI) de los equipos principales del proceso (R-401, H-401,
E-401, E-402 y E-403).
26
Tabla 6. Significado de la simbología utilizada en la figura 6.
Símbolo Significado
FIC Indicador controlador de flujo
PCV Válvula de control de presión
PY Relé de presión
PRC Registrador de control de presión
PAL Alarma de baja presión
PAH Alarma de alta presión
PT Transmisor de presión
PE Elemento de presión
TE Elemento de temperatura
TT Transmisor de temperatura
TAL Alarma de baja temperatura
TAH Alarma de alta temperatura
TRC Registrador controlador de temperatura
TY Relé de temperatura
TCV Válvula de control de temperatura
PI Indicador de presión
TI Indicador de temperatura
LY Relé de nivel
LRC Registrador controlador de nivel
LAL Alarma de bajo nivel
LAH Alarma de alto nivel
LT Transmisor de nivel
LI Indicador de nivel
27
9. DIMENSIONAMIENTO Y CARACTERÍSTICAS DE LOS EQUIPOS.
9.1 Dimensionamiento de tuberías
El dimensionamiento de cada tubería de acuerdo al servicio que proporcionan en cada
corriente se tomó de acuerdo a la ecuación (exceptuando las tuberías 3, 7 y 16):
𝐷𝑖𝑜𝑝𝑡 = 0.664 𝐺0.51 𝜌−0.36
Dónde:
Diopt= Diámetro óptimo de la tubería
ρ= Densidad del compuesto que transporta la corriente
G= Kilogramos por segundo que transporta la tubería.
Tabla 7. Dimensiones y características de las tuberías utilizadas en el proceso
mostrado en la figura 5.
Corriente Servicio de
transporte que proporcionan
Material de la tubería
Diámetro óptimo (in)
Diámetro nominal
(in) Cédula
1 Alcohol isopropílico y
agua Acero A106 1.88 2 40
2 Alcohol isopropílico y
agua Acero A106 2.007 2 40
3 Hidrógeno Acero
inoxidable de alta pureza*
2.88 3 80 s
4 Agua de
calentamiento Acero A106 4.68 5 80
5 Gases Acero
inoxidable de alta pureza
2.95 3 40 s
6 Acetona cruda Acero A106 1.06 1 14⁄ 80
7 Hidrógeno Acero
inoxidable de alta pureza*
2.45 2 12⁄ 40 s
8 Agua (para columna
de absorción) Acero A106 2.83 3 80
28
9 Acetona cruda Acero A106 2.04 2 80
10 Servicio auxiliar,
agua para columna de destilación1
Acero A106 2.43 2 12⁄ 40
11 Acetona al 99% de
pureza Acero A106 7.24 8 160
12 Alcohol isopropílico Acero al carbón A106 0.95 1 80
13 Agua de enfriamiento
para columna de destilación 2
Acero A106 2.43 2 12⁄ 40
14 Reciclo de alcohol
isopropílico Acero al
carbón A106 0.95 1 80
15 Agua residual Acero A106 2.45 2 12⁄ 40
16 Hidrógeno Acero
inoxidable de alta pureza*
2.45 2 12⁄ 40 s
*La tubería debe resistir la corrosión, además de que el H2 tiene la facilidad de
fugarse por la estructura cristalina de la mayoría de los metales para tuberías de
metal de hasta 7000 PSI, por ello se requiere la tubería de acero inoxidable de
alta pureza.
Para el caso de las tuberías de las corrientes 3, 7 y 16 se calculan sus
dimensionamientos óptimos de acuerdo a la ecuación de dimensionamiento para
tuberías de refinamiento:
𝐷𝑖𝑜𝑝𝑡 = (𝐺
𝜌)0.5
9.2 Dimensionamiento de válvulas
Todas las válvulas se dimensionaros de acuerdo a la ecuación que se describe
seguidamente:
29
𝑐𝑣 = 𝑞
√∆𝑃𝐺𝑓
Dónde:
q de diseño= 2q requerido
q= GPM
ΔP= PSI
Gf= gravedad específica= 1
Tabla 8. Dimensionamiento y características de las válvulas que se encuentran en el proceso mostrado en la figura 5.
Válvula Corriente CV
1 1 19.56 2 2 11.80 3 3 46.36 4 8 1.85 5 12 0.48 6 10 6.63 7 7 1.85 8 11 3.30
9.3 Dimensionamiento de bombas
Potencia de una bomba:
Se considera que la bomba es accionada por un motor eléctrico
𝑝ℎ𝑖𝑑𝑟á𝑢𝑙𝑖𝑐𝑎 = 𝑄∆𝑃𝑚𝑎𝑥
𝑛𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎
Dónde:
Phidraulica= Dada en watts
n= Eficiencia de la bomba
𝑄 =𝑚3
5
ΔP= Dada en pascales
30
Tabla 9. Dimensionamiento y características de las bombas utilizadas en el
proceso indicado en la figura 5.
Bomba Caudal (GMP) Potencia hidráulica
Watts/hp Material
P-400 35 778.46 /1.04 Acero inoxidable
P-401 37.5 440.61 /0.75 Acero 316
P-402 34 445.5 /0.5 Acero 316
P-403 34 452.30 /0.60 Bronce
P-404 150 1465.70 /2 Bronce
P-405 150 1465.70 /2 Bronce
P-400.- Está diseñada para bombear el líquido proveniente del tanque de materia
prima (IPA) hacia el mezclado, con un caudal de 35 GPM, con una altura de
descarga de 100 pies y una altura de succión de 52.58 pies, el tipo de Bomba es
Centrífuga de alta velocidad con una eficiencia de 65 % y un BHP calculado de
0.5 HP. El material de construcción es de acero inoxidable y los acoplamientos
en la succión y descarga son de 2 in NPS
P-401.- La bomba P-404 es una bomba centrífuga que impulsa alcohol
Isopropilico desde el mezclador al intercambiador H-401 y reactor R-401. La
bomba está diseñada para una columna total de 67 pies, 24 pies de columna
estática de succión y 43 pies de columna estática de descarga Las condiciones
de operación son de 200 °C y 14.7 psi de presión, para impulsar un caudal de
37.5 GPM. a través de una tubería de 2 pulg NPS. En la descarga la temperatura
es de 200 °C y la presión 14.7 psi, el CSPN de 51 pie, la velocidad rotacional es
de 1750 RPM. El HP de operación 0.75 y de diseño 1 HP. La bomba será
fabricada en Acero 316.
31
P-402.- Es una bomba centrífuga que impulsa IPA, acetona, agua, desde el
absorbedor T-401 al intercambiador H-401 y columna de destilación T-402. La
bomba está diseñada para una columna total de 5.13 pies. Esta bomba se ha
diseñado para que alcance una columna de 5.13 pies y un flujo de 34 GPM a una
caída de presión de 20 psi, con un CSPN de 24.7 pies, el tipo de bomba es
centrífuga de etapa simple y succión simple con una eficiencia de 65 % y un
caballaje de freno de diseño de 0.5 HP. La bomba será fabricada en Acero 316.
P-403.- Está diseñada para bombear el líquido proveniente del caldero o reboliler
1, en la columna de destilación T-402, con un caudal de 34GPM, con una altura
de descarga de 43 pies y una altura de succión de 24 pies, el tipo de Bomba es
Centrífuga de alta velocidad con una Eficiencia de 65 %, caída de presión de
140000 Pa y un BHP calculado de 0.5 HP.
P-404.- Es una bomba centrífuga que impulsa Agua dura desde el pozo hasta el
desarenador. La bomba está diseñada para una columna total de 26 pies,
21.6053 pies de columna estática de succión (bajo el eje de la bomba) y 47.598
pies de columna estática de descarga. Las condiciones de operación son de 77
°F y 14.7 psia de presión, para impulsar un caudal de 150G.P.M. a través de una
tubería de 4 pulg NPS. En la descarga la temperatura es de 77 °F y la presión
14.7 psia La velocidad especifica de la bomba es de 1672, el CSPN de 20.43 pie,
la velocidad rotacional es de 17 50 RPM. El BHP de diseño es 1.5 La bomba
será fabricada en Bronce.
P-405.- La bomba P-405 es una bomba centrifuga que impulsa Agua dura desde
el desarenador al tanque elevado. La bomba está diseñada para una columna
total de 55.53 pies, 11.5 pies de columna estática de succión y 65 pies de
columna estática de descarga. Las condiciones de operación son de 77 °F y 14.7
psia de presión, para impulsar un caudal de 150 GPM a través de una tubería de
4 pulg NPS. En la descarga la temperatura es de 77 °F y la presión 14.7 psia. La
32
velocidad especifica de la bomba es de 1,053.7; el CSPN de 44.77 pie, la
velocidad rotacional es de 1,750 RPM. El BHP de diseño es 3.5 HP La bomba
será fabricada en Bronce.
9.4 Dimensionamiento y diseño de los equipos del proceso
9.4.1 Mezclador (V-401), separador flash (V-402) y tanques (V-403
y V-404).
Tabla 10. Dimensionamiento y características de los equipos V-401, V-402, V-
403 y V-404 del proceso mostrado en la figura 5.
Equipo Volumen
(m3) Material
Espesor
de lámina
(in)
Espesor de
acoplamiento
de entradas
Espesor de
acoplamiento
de salidas
V-401 26.424 Acero
304L 3
16⁄ 1 14⁄ 1 1
4⁄
V-402 140.6888 Acero
304L 1
4⁄ 6 1 14⁄
V-403 26.424 Acero
304L 3
16⁄ 1 14⁄ 1 1
4⁄
V-404 26.424 Acero
304L 3
16⁄ 1 14⁄ 1 1
4⁄
9.4.2 Reactor (R-401)
En el proceso de deshidrogenación del IPA para obtener acetona, son de
importancia los siguientes factores de operación: temperatura de reacción,
presión de operación, catalizador, razón molar, conversión y rendimiento.
33
Tabla 11. Dimensionamiento y características del reactor R-401 de la figura 5. R
-401
Temperatura (°C) 350
Presión (atm) 2
Catalizador Niquel
(Ni)
%peso Tamaño de
partícula
Superficie
BET
85 % 140⁄ de pulgada 50 - 500 m2/g
Orden de reacción Primer orden
Conversión 90%
Razón molar 1 mol de alcohol isopropílico para formar 1 mol de
acetona
Rendimiento del
alcohol 78%
Material Acero al carbón 304
Espesor 116⁄ de pulgada
Volumen 1.9290 ≈ 2 m3
9.4.3 Intercambiadores de calor
Tabla 12. Dimensionamiento y características de operación de los
intercambiadores E-401 a E-408 del proceso de la figura 5.
E-4
01
Tipo Intercambiador de casco y tubos
Temperatura 101 °C
Presión 2.3 bar
Material Acero al carbón 304
Calibre 16 BWG
Tubos Número Altura Arreglo Diámetro
208 20 ft Cuadrado 1 in
34
Caídas de
presión
Tubos Casco
0.15 psi 0.34 psi E
-402
, E-4
03 y
E-4
04
Tipo Intercambiador de casco y tubos
Temperatura 20 °C
Presión 1.63 bar
Material Acero inoxidable
Tubos Número Arreglo
29 Cuadrado
Espaciado entre
deflectores 5 pulgadas
Diámetro de
caso 15.25 pulgadas
Calibre 16 BWG
Caídas de
presión
Tubos Casco
0.48 psi 9.98 psi
E-4
06 y
E40
7
Tipo Intercambiador de doble tubo
Temperatura 45 °C
Presión 1.28 bar
Material Acero al carbón 304
Caídas de
presión
Tubo interior Anillo
0.42 psi 0.1 psi
9.4.4 Columnas de destilación
Para el diseño de las columnas se utilizó el método Mv Cabe & Thiele, para una
mezcla binaria, con la finalidad de determinar el número de platos teóricos. Para
determinar el número de platos reales se estimó una eficiencia del 50%,
basándose en el gráfico que proporciona Peter & Thimmerhaur, en función de la
volatilidad relativa y viscosidad de alimentación.
35
Tabla 13. Dimensionamiento y características de operación de las columnas de
destilación T-402 y T-403 que se muestran en la figura 5.
T-402 T-403
Presión de operación 1 atm 1 atm
Temperatura de operación 100 °C 90°C
Material Acero inoxidable 304 Acero inoxidable 304
Eficiencia 50% 50%
Platos reales 26 20
Plato de alimentación 7 6
Espacio entre platos 24 pulgadas 24 pulgadas
Tamaño de platos 18⁄ pulgada 1
8⁄ pulgada
Tipo de plato Perforados Perforados
Diámetro de la torre 4.72 pies 4.2 pies
Altura de la torre 61 pies 58 pies
Altura del vertedero 7 pulgadas 7 pulgadas
Reflujo de operación 0.871 1.1
Caída de presión en el tope 14 psi 14 psi
Caída de presión en fondos 15.4 psi 15.4 psi
36
9.4.5 Columna de absorción T-401
Para el diseño de la columna de absorción se utilizó el método analítico para una
mezcla binaria, con la finalidad de determinar el número de platos teóricos.
Tabla 14. Dimensionamiento y características de operación de la torre de
absorción T-401 que se muestra en el proceso de la figura 5.
T-401
Temperatura 20°C
Presión 1.6 bar
Platos teóricos 5
Altura 2.91 m
Diámetro 0.32 m
Espacio entre platos 0.5 pulgadas
Altura de líquido bajante 0.23 m
Altura del vertedero 0.18 m
Material Acero inoxidable 304
37
10. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Morrison y Boyd. (1987). Quimica Organica. Boston Massachusetts: Pearson
[2] L.G.Wade, Jr. (2012). Química Orgánica. México: Pearson
[3] Carlos Gispert y José Gay. 1997. Aldehídos y Cetonas. En Enciclopedia
Autodidactica Interactiva (4, 1008) Barcelona, España: Océano.
[4] Market Research Reports Search Engine (2015). The Global Acetone to Witness
Increased Consumption at a CAGR of 3% during 2014-2020. [Consulta: mayo 2015].
[5] Klaus Weissermel, Hans-Jürgen Arpe. Química orgánica industrial
[6] Hans Beyer, Wolfgang Walter. Manual de química orgánica
[7] Álvarez, R., Castro, J., et.al; Diseño Conceptual, Planta de Producción de Acetona
Por medio de Alcohol Isopropílico.
[8] Peña, G.; Muñoz, A.; Carballos, L.; et. al. Catalizadores de Níquel para la
deshidrogenización de isopropanol a acetona. Ingeniería Química.
[9] Requena, A., Obtención de Acetona a Partir de Alcohol Isopropílico. Análisis de
Proceso Químico, febrero 2012.
[10] Estudio de Factibilidad de una planta de producción de acetona. Economía de
procesos. 2012.
