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IVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON ACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGIA INGENIERÍA QUIMICA

PRODUCCIÓN DE ÓXIDO DE ETILENO A PARTIR DE OXIDACIÓN DIRECTA DE ETILENO

ASIGNA ASIGNATURA: TURA: ANALISIS Y DISEÑO DE PROCESOS QUIMICOS DOCENTE: INGENIERO GASTON RIOJA CARDENAS ESTUDIANTES: AYZACAYO CHINCHAYA MELA ESCOBAR ANTEZANA ROBERTO ERICK PAREDEZ MAMANI WILLAN FRINGIDO FERNANDEZ DAVID SEMESTRE: I/2019 FECHA: 13/03/2019

Cochabamba – Bolivia

Contenido 1.

INTRODUCCION..............................................................................................................................................3

2.

ANTECEDENTES..............................................................................................................................................3 2.1.

Antecedentes bibliográficos....................................................................................................................3

2.1.1. 2.2.

Estudio de mercado........................................................................................................................3

Antecedentes técnicos............................................................................................................................3

3.

JUSTIFICACION................................................................................................................................................3

4.

OBJETIVOS......................................................................................................................................................3 4.1.

Objetivo general.....................................................................................................................................3

4.2.

Objetivo especifico.................................................................................................................................3

5.

MATERIA PRIMA.............................................................................................................................................3 5.1.

Etileno.....................................................................................................................................................3

5.2.

Oxígeno puro..........................................................................................................................................3

5.3.

Dióxido de carbono.................................................................................................................................3

5.4.

Óxido de etileno.....................................................................................................................................3

5.4.1.

Propiedades fisicoquímicas.............................................................................................................3

6.

DESCRIPCION DEL PROCESO...........................................................................................................................3

7.

UBICACIÓN Y EMPLAZAMIENTO DE LA PLANTA..............................................................................................3

8.

DIAGRAMA DE BLOQUES................................................................................................................................3

9.

DIAGRAMA DE FLUJO......................................................................................................................................3

10.

ARBOL DE SINTESIS.....................................................................................................................................3

11.

HEURISTICAS APLICADA AL PROCESO.........................................................................................................3

12.

DISEÑO DE EQUIPOS...................................................................................................................................3

13.

TRENES DE SEPARACION.............................................................................................................................3

14.

ASPECTO AMBIENTAL DEL PROCESO...........................................................................................................3

15.

EVALUACION FINANCIERA..........................................................................................................................3

16.

RECOMENDACIONES...................................................................................................................................3

17.

CONCLUSION..............................................................................................................................................3

18.

BIBLIOGRAFIA.............................................................................................................................................3

19.

ANEXOS.......................................................................................................................................................3

1. INTRODUCCION

El óxido de etileno es un hidrocarburo derivado del etileno, el cual fue sintetizado por primera vez en 1895 por Charles Wutz, por medio del proceso de la clorhídrica y en 1925 se logra el primer proceso industrial por UCC (Union Carbide Corporation) usando este primer método. Posteriormente, en 1931, L. Lefort realiza la oxidación directa de etileno para obtener óxido de etileno. Para 1937, este último método se transforma en un proceso industrial por UCC, utilizando catalizadores para una mejor selectividad. En el proceso de oxidación directa se obtienen subproductos en el efluente del reactor de oxidación, siendo el de mayor proporción agua, seguido de dióxido de carbono, monoetilenglicol, formaldehído y acetaldehído. La obtención de óxido de etileno puro involucra varios pasos de refinación en columnas de absorción y desorción para la remoción de dióxido de carbono y en columnas de destilación para la separación final del óxido de etileno de los demás componentes. La destilación es el método de separación predilecto, por su capacidad de producir componentes de alta pureza, a pesar de un alto costo energético. En general, la alimentación a una columna de destilación para la obtención de óxido de etileno puro (99.5% peso, mínimo) consta de una mezcla acuosa conteniendo principalmente agua, óxido de etileno, formaldehído, acetaldehído y monoetilenglicol. Se debe asegurar un alto grado de pureza para que el producto sirva de materia prima en la industria química. Para el diseño y cálculo de una columna de destilación se deben de tomar en cuenta diversos factores propios de la mezcla que se desea separar, tales como composición, solubilidad, volatilidad relativa, temperaturas de ebullición, burbuja, rocío. Particularmente para sistemas no ideales, se utilizan modelos termodinámicos de equilibrio que incluyen coeficientes de actividad tales como NRTL (Nonrandom two-liquid) Wilson, UNIQUAC (Universal Quasi Chemical). El proceso de purificación de óxido de etileno se ha estudiado y propuesto como invención en diversas patentes (US 3, 745, 092, US 4, 134, 797, US 6, 833, 057 B1) registradas en la Oficina de Patentes de Estados Unidos. Uno de los procesos más utilizados fue desarrollado por B. Ozero en 1979 en el cual se alimenta óxido de etileno “crudo” a dos de columnas de fraccionamiento con etapas de contacto líquido-gas. En este proceso, se obtiene una corriente final de vapor donde se concentran acetaldehído y formaldehido, y una corriente secundaria, líquida, extraída en una etapa de la zona de rectificación que contiene óxido de etileno con 20 partes por millón (ppm) de formaldehído. Los inconvenientes de este proceso son el uso de dos columnas de destilación, con sus respectivos equipos auxiliares, lo cual aumenta costos construcción y operación. En 1994, B. Bessling propuso un proceso simplificado, indicado en la patente US 6, 833,057 B1 en el cual, se realiza la purificación completa de óxido de etileno en una sola columna de destilación, obteniendo una corriente de producto libre de formaldehido y menos de 20 ppm de acetaldehído.

Por otro lado, el uso de simuladores de proceso es una herramienta de gran utilidad para el diseño y la simulación de equipos relacionados con los procesos de la industria química, pues con ellos se pueden realizar cambios en casi cualquier variable de proceso, de una manera fácil, sin tener que realizarlos en “campo” para determinar los efectos que puedan producir. En particular, para columnas de destilación, el diseño debe realizarse por métodos rigurosos de cálculo y los métodos “cortos” sólo deben ser utilizados como una primera aproximación al diseño real. En este caso, es recomendable el uso de simuladores de proceso dada su capacidad para realizar un gran número de operaciones. La producción de óxido de etileno es de vital importancia para la industria petroquímica dado que es el precursor y materia prima de distintos productos como pinturas epóxicas, detergentes, y refrigerantes. En el caso particular de Pemex Petroquímica, se producían en primera instancia, 200,000 toneladas métricas al año (TMA) de óxido de etileno en el centro petroquímico Morelos del año 1988 al año 2004, con la primera fase de expansión se producían 240,000 TMA. En la segunda fase de expansión en curso de planean producir 360,000 TMA. Debido a este aumento a la producción, se añadió una nueva columna de destilación que funciona en paralelo con dos columnas de destilación existentes. Resulta conveniente expresar el consumo energético de cualquier sistema de producción, ya que esto influye en los costos de operación y del uso de servicio auxiliares como generación de vapor, corrientes de enfriamiento etc. La finalidad de este proyecto es realizar la simulación del proceso de destilación para comparar las cargas térmicas asociadas con los equipos utilizados en cada esquema de destilación. 2. ANTECEDENTES 2.1. Antecedentes bibliográficos

El óxido de etileno, desde su descubrimiento por A. Wurtz en 1859 y su primera obtención industrial en 1925 por la UCC hasta hoy, ha tenido una expansión enorme en su producción. La tabla del, margen resume, por cuanto se sabe, las cifras de producción de los países industriales más importantes. La capacidad mundial alcanzó en 1977 aproximadamente los 6 millones de toneladas anuales. Paralelamente al desarrollo de la capacidad de producción se modificaron las formas de síntesis que partían del proceso histórico en dos etapas (con clorhidrina del etileno como producto intermedio), hasta llegar a lograr la oxidación directa de etileno, mucho más económica en enormes instalaciones, con capacidades hasta 360 000 toneladas al año. Así, por ejemplo, a mediados de los años cincuenta, casi la mitad de la producción de óxido de etileno en los EE.UU. provenía todavía de la clorhidrina de etileno; a partir de 1975, toda la producción era exclusivamente por oxidación directa del etileno.

2.1.1. Estudio de mercado 2.1.1.1. Estudio de la oferta y demanda en el mundo 2.1.1.2. Estudio de la oferta y demanda en Bolivia 2.2. Antecedentes técnicos

El óxido de etileno, desde su descubrimiento y su primera obtención industrial en 1925 ha tenido una expansión enorme en su producción. Se identifica como un compuesto dentro de los epóxidos. Este éter cíclico constituye un compuesto orgánico que se utiliza corrientemente en la industria farmacéutica y en la industria alimentaria. En su forma gaseosa, el óxido de etileno sirve para esterilizar, entre otras cosas, material médico gracias a sus propiedades fungicidas y biocidas. También permite esterilizar sustancias que no soportarían altas temperaturas necesarias en los procesos de pasteurización. La producción de óxido de etileno en el mercado actual está íntimamente ligada con la demanda de Etilenglicol, debido a su importancia como materia prima para la obtención de éste último. El mercado de los productos derivados del óxido de etileno son los glicoles, poliglicoles y polioles empleados en la elaboración de fibras, refrigerantes y espumas. En el siguiente esquema quedan reflejadas las principales vías de salida del óxido de etileno como materia prima de la Industria Petroquímica actual.

Figura 1.2. Principales productos derivados del óxido de etileno Dado que el óxido de etileno tiene grandes limitaciones en lo que respecta a su transporte, debido a consideraciones de seguridad, la mayoría de las plantas productoras de óxido de etileno tienen como vecinas plantas productoras de algún derivado de éste.

En sus orígenes, el óxido de etileno se obtenía mediante el proceso llamado “proceso de la clorohidrina”. Este proceso transcurría por medio de la clorohidrina de etileno como producto intermedio, el cual por calentamiento, se transformaba en óxido de etileno. Hoy en día este proceso ha sido sustituido por el método de la oxidación directa, ofreciendo un mayor rendimiento económico. Ambos procesos serán explicados con mayor detalle más adelante. Características y propiedades de óxido de etileno El óxido de etileno es un gas a temperatura y presión normal, con un débil olor parecido al éter, más pesado que el aire, muy soluble en agua y fácilmente licuable a presión atmosférica y temperatura de 10° a 11° C. Posee gran reactividad química, siendo además altamente inflamable explosivo y toxico, presentando en consecuencia grandes riesgos en su utilización como gas esterilizante. (The Merck Index. 2006)

Estructura química

Formula molecular

C2 H 4

Sinónimos

Dihidrooxireno, 2,3-epoxietano, ETO, Oxido de dimetilo, Oxano, Oxiran, Oxirano.

Estado físico Olor Color Masa molecular Punto de ebullición Gravedad especifica Presión de vapor Solubilidad Temperatura critica

Gas Etéreo Incoloro 44.054 50.9 ℉ (10.5 ℃ ) 0.871 atm a 20 ℃ 1094 mm Hg a 20 ℃ Soluble en agua, ácidos y alcoholes 195.8 ℃ mg 1 ppm de óxido de etileno = 1.8 a m3 Condiciones normales. 261 ppm (detectable) 500.700m (reconocible)

Equivalencia Umbral olfatorio

El óxido de etileno (oxirano) y el acetaldehído son los productos de oxidación parcial e isómeros más sencillos del etileno. Corresponden, por su facilidad de reacción y por sus numerosos productos derivados de los mismos de importancia industrial, a los productos intermedios principales que se

obtienen del etileno. No obstante, ambos consumen bastante menos etileno que el que se destina a polietileno, e incluso en Europa occidental al que se dedica a la producción de cloruro de vinilo como se muestra en la tabla siguiente de usos del etileno en Alemania Federal, Europa occidental y EE.UU.: producto

Alemani a 1976

Japón 1977

Europa 1975

1971

1982

1976

EE.UU. 1977

52 42 52 55 54 42 43 Polietileno (alta y baja presión Cloruro de vinilo 12 17 18 18 19 12 12 12 13 13 11 11 21 18 Óxido de etileno y derivados 11 n.p. 7 n.p. n.p. 3 3 Acetaldehido y derivados Etilbenceno/estiren 6 8 7 7 7 8 9 o 7 20 3 9 9 14 15 Otros (etanol, acetato, acetato de vinilo, alcoholes y olefinas lineales, 1,2-dibromoetano), etc. 1) Estimado. n.p. = no publicado. Tabla. Usos del óxido de etileno en Alemania, Europa, Japón y EE.UU. (en %).

1980 46 12 19 3 8 15

3. JUSTIFICACION

4. OBJETIVOS 4.1. Objetivo general  Producir óxido de etileno a partir de etileno mediante una reacción de oxidación directa de etileno por medio de un catalizador de plata para contribuir a las industrias bolivianas con la base importante de sus múltiples aplicaciones en sus distintos derivados como son: etilenglicol, tensoactivos anionicos , catiónicos, anfóteras, no iónicas, éteres de glicol y elanolaminas. 4.2. Objetivo especifico 

Hacer un análisis de posibilidades de rutas de reacción para la obtención de OE.



Establecer una secuencia y elegir las técnicas de separación de los productos en la salida de cada reactor.



Aplicar el método de oxidación directa, utilizando un catalizador adecuado por la obtención de óxido de etileno.



Implementar equipos adecuados para la separación parcial del óxido de etileno.



Buscar métodos de aumento de producción, evitando las necesidades de limitar el factor conversión del óxido de etileno.

5. MATERIA PRIMA 5.1. Etileno 5.2. Oxígeno puro 5.3. Dióxido de carbono 5.4. Óxido de etileno 5.4.1. Propiedades fisicoquímicas

6. DESCRIPCION DEL PROCESO

ALIMENTACIÓN El proceso de obtención de óxido de etileno, inicia con una alimentación etileno y oxígeno puro en fase gaseosa que ingresan a un reactor multitubular catalítico de lecho fijo.

REACTOR MULTITUBULAR CATALÍTICO DE LECHO FIJO (R -110)

El flujo de la corriente de alimentación ingresa al reactor (R -110) por la parte superior, donde, la mezcla de estos gases fluye a través de la columna del lecho fijo, entra en contacto con los catalizadores de plata, el etileno y el oxígeno no son altamente activas, este catalizador activa a estos gases para que se dé la reacción. La reacción es altamente exotérmica, lo cual es necesario reducir y controlar la temperatura de reacción de estos gases en el reactor, la elevada temperatura puede llevar a la formación de otro producto y sub-productos no deseados, como también acortar la vida media del catalizador y producir accidentes de explosión del reactor. Necesariamente es importante reducir la temperatura, haciendo circular agua fría por la carcasa a través de nuestro reactor, obteniendo en la cola del reactor un producto con las condiciones óptimas para el siguiente proceso.

SELECCIÓN DE SISTEMAS DE SEPARACIÓN Una vez realizada la especificación inicial y final, e l p r o d u c t o o b t e n i d o d e l a r e a c c i ó n e n e l reactor, se enfoca la atención en como separar la mezcla heterogénea de estos gases efluentes del reactor, como también la selección de equipos y sistemas de separación. Independientemente de eso, la separación debe ser realizada en etapas. La primera consideración es la selección del tipo de separador. El fundamento principal de toda esta búsqueda es mejorar la eficiencia y operación mediante estos procesos de optimización y control. Para ello contamos con los siguientes tipos de separaciones:

La mezcla que sale del reactor (D-110), esto antes de ingresar al absorbedor, pasa por un condensador donde la mezcla reduce su temperatura hasta sus condiciones iniciales para el ingreso al absorbedor.

ABSORVEDOR (D-120)

La mezcla que sale del reactor es heterogénea (OE, Etileno, Metano, dióxido de carbono), entonces se lleva a una separación parcial. Mediante una contracorriente de agua, estos gases son absorbidos en agua y bombeados al desorbedor (D-130). Y la parte no absorbida de los gases recirculan al reactor (D-110). El OE producido en el reactor, pasa a través de una columna de absorción donde se realiza la separación de OE mediante transferencia de masa de la fase gaseosa a la fase liquida. El OE y el CO2 presentes en la fase gaseosa interactúan con la fase líquida (H2O) en contracorriente permitiendo la transferencia del OE a la fase liquida, aprovechando la propiedad de la solubilidad.

DESORVEDOR (D-130)

Los gases capturados por el agua ingresan al desobedor, estos son sometidos a una separación física, donde, haciendo pasar por un ciclo de calentamiento en un intercambiador de calor, se logra separar por diferencias por sus densidades,...