Modelado, Simulación y Control de una planta de producción de Acetato de Vinilo PDF

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Modelado, Simulación y Control de una planta de producción de Acetato de Vinilo ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN .........................................................................................................................4 2. EL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE ACETATO DE VINILO ............................

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Modelado, Simulación y Control de una planta de producción de Acetato de Vinilo

ÍNDICE 1. 2.

INTRODUCCIÓN .........................................................................................................................4 EL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE ACETATO DE VINILO ...................................................5 2.1. PROCESOS DE PRODUCCIÓN ................................................................................................5 2.1.1 REACCIÓN DE ÁCIDO ACÉTICO CON ETILENO Y OXÍGENO..........................................7 2.1.2. PROCESO EN FASE LÍQUIDA........................................................................................7 2.1.3. PROCESO EN FASE GASEOSA......................................................................................8 2.2. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO CON ETILENO EN FASE GASEOSA ..............................9 2.2.1. SECCIÓN DE REACCIÓN ..............................................................................................9 2.2.2. SECCIÓN DE DESTILACIÓN .......................................................................................13 2.2.3. ESTRUCTURA ENTRADA-SALIDA.............................................................................15 2.2.4. DATOS DEL PROCESO................................................................................................17 3. MODELIZACIÓN DEL PROCESO DE ACETATO DE VINILO ...............................................19 3.1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................19 3.2. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO A MODELAR.......................................................................20 3.3. MODELADO DINÁMICO DEL PROCESO PARA IMPLEMENTACIÓN EN MATLAB..23 3.3.1 MODELO DE SIMULACIÓN PARA CADA UNIDAD ..................................................23 3.3.1.1 VAPORIZADOR ........................................................................................................23 3.3.1.2.REACTOR CATALÍTICO ...................................................................................................28 3.3.1.3.INTERCAMBIADOR DE CALOR FEHE (Feed Effluent Heat Exchanger)...........................34 3.3.1.4.SEPARADOR......................................................................................................................38 3.3.1.5 COMPRESOR ............................................................................................................42 3.3.1.6.ABSORBEDOR ...................................................................................................................45 3.3.1.7.SISTEMA DE ELIMINACIÓN DE CO2...............................................................................49 3.3.1.8.SISTEMA DE ELIMINACIÓN DE GASES .........................................................................51 3.3.1.9.COLUMNA DE DESTILACIÓN AZEOTRÓPICA ..............................................................53 3.3.2.HIPÓTESIS SIMPLIFICADORAS..........................................................................................60 3.3.3.DATOS DE PROPIEDADES TERMODINÁMICAS Y FÍSICAS............................................64 3.4. IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO EN HYSYS.............................................................68 5. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL PARA EL PROCESO DE VAC.......................................89 5.1.INTRODUCCIÓN .....................................................................................................................89 5.2. METODOLOGÍA LUYBEN-TYREUS .....................................................................................95 5.2.IDENTIFICACIÓN DE LOS OBJETIVOS DE CONTROL. DEFINICIÓN FUNCIÓN BENEFICIO J..................................................................................................................................99 5.3.ANÁLISIS DE GRADOS DE LIBERTAD............................................................................... 102 5.4. ESTABLECIMIENTO DE LA GESTIÓN DE LA ENERGÍA ................................................. 104 5.5.ESTABLECIMIENTO DE LA PRODUCCIÓN ....................................................................... 105 5.6.RESTRICCIONES................................................................................................................... 106 5.7.ESTABLECIMIENTO DE UN CAUDAL EN CADA RECIRCULACIÓN Y CONTROL DE LAS PRESIONES Y NIVELES ............................................................................................................. 107 5.8.BALANCE DE COMPONENTES ........................................................................................... 108 5.9.CONTROL DE UNIDADES DE OPERACIÓN ....................................................................... 109 5.10.OPTIMIZACIÓN ECONÓMICA. MEJORA DE LA CONTROLABILIDAD DINÁMICA..... 109 5.11.IDENTIFICACIÓN DE RESTRICCIONES ACTIVAS .......................................................... 110 5.12.SINTONIZACIÓN DE LOS CONTROLADORES................................................................. 121 5.13. FUNCIÓN DE COSTES. OPTIMIZACIÓN .......................................................................... 128 6.COMPORTAMIENTO DEL PROCESO FRENTE A PERTURBACIONES................................ 135 7.CONCLUSIONES ...................................................................................................................... 139 8. REFERENCIAS......................................................................................................................... 141 APÉNDICE........................................................................................................................................ 143 APÉNDICE 1. TABLA RESULTADOS DEL PROCESO .................................................................. 143 APÉNDICE 2. PROPIEDADES DEL ACETATO DE VINILO .......................................................... 144 APÉNDICE 3. ANÁLISIS TERMODINÁMICO Y CINÉTICO DE LAS REACCIONES PRINCIPALES EN LA RUTA MÁS EMPLEADA ..................................................................................................... 145 APÉNDICE 4. DIAGRAMA PLANTA DE ACETATO DE VINILO SIMPLIFICADA ...................... 147

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1.

INTRODUCCIÓN En el presente proyecto se realiza el modelado del proceso de obtención del

monómero acetato de vinilo. Se ha realizado un modelado teórico del proceso, posteriormente se ha implementado en el simulador Hysys y diseñado la estrategia de control.

Los objetivos que se persiguen en el presente trabajo son los siguientes: •

Modelado teórico del proceso, incluyendo hipótesis simplificadoras

•

Implementación del proceso en un simulador comercial (Hysys)

•

Diseño de la estrategia de control del proceso

•

Análisis de controlabilidad con control regulatorio implementado

•

Estudio del comportamiento de la planta frente a perturbaciones

En este trabajo se presenta un modelado dinámico del proceso de acetato de vinilo. Se realiza la implementación en Hysys y se simulan tanto el régimen estacionario como el dinámico, lo que nos permite estudiar el comportamiento del proceso y diseñar la estrategia de control adecuada, verificando el funcionamiento satisfactorio de esta última una vez implementada. Los datos de partida para realizar el siguiente trabajo son la cinética de las reacciones involucradas y propiedades físicas, una estructura del diagrama de flujo con información sobre corrientes y equipos, y la situación de las válvulas incluidas en el diseño preliminar.

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2.

EL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE ACETATO DE VINILO

2.1. PROCESOS DE PRODUCCIÓN Existen varias rutas posibles para la producción de acetato de vinilo, son las siguientes:

El acetileno, debido a su precio, ha sido sustituido por etileno que es una alternativa de menor coste.

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Los procesos que se utilizan en la actualidad son 1.b y 3.b. Los procesos 1.a, 2 y 3.a ya no se emplean, mientras que el proceso 4 todavía no se ha empleado en la industria (quizás obtenga mayor importancia en un futuro debido a que los materias primas necesarias se pueden obtener fácilmente a partir de carbón o nafta). El acetato de vinilo (CH3COOCH=CH2) es un compuesto de la industria química básica orgánica y constituye el primer eslabón para la fabricación de innumerables compuestos usados cotidianamente en todo el mundo. Actualmente, se producen en torno a 4,9 millones de toneladas anuales en todo el mundo, de las que Estados Unidos acapara el 30% aproximadamente. Entre los países productores de acetato de vinilo destacan, además de Estados Unidos : Australia, Brasil, Canadá, China, Francia, Alemania, los países británicos, India, Japón, Méjico, Sudáfrica y España. El precio de mercado es de 50€ la tonelada. El acetato de vinilo es un líquido incoloro, muy inflamable, soluble en la mayoría de los disolventes orgánicos e insoluble en agua. Se primeriza espontáneamente dando lugar al poliacetato de vinilo o acetato de polivinilo (PVA). De este polímero se derivan otros como el alcohol polivinílico y el copolímero poli(acetato de vinilo-co-alcohol vinílico), que constituyen la base de muchos adhesivos y pinturas de emulsión de agua. Las principales aplicaciones del acetato de vinilo se mencionan a continuación:

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Plásticos

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Películas y láminas plásticas

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Adhesivos y pegamentos

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Pinturas de emulsión en agua

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Revestimiento en plásticos para envasar alimentos

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Cristales de seguridad

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Materiales adhesivos de aplicación en la construcción

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Fibras acrílicas

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Papel

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Aditivos de aceites lubricantes

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Modificador de almidón

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De todas las aplicaciones, la más importante sin duda es la fabricación de plásticos, y a su vez la producción se distribuye del modo siguiente : 82% acetatos polivinílicos; de entre los que destaca el alcohol de polivinilo (PVHO), 8% acetato del vinilo del etileno (EVA), 6% alcohol del vinilo del etileno (EVOH), 1% cloruro de vinilo/copolímero del acetato de vinilo (VCM/VAM) y un 3% de otros polímeros.

2.1.1 REACCIÓN DE ÁCIDO ACÉTICO CON ETILENO Y OXÍGENO 2.1.2. PROCESO EN FASE LÍQUIDA La formación de acetato de vinilo a partir de etileno y ácido acético en presencia de cloruro de paladio fue descrita por Moiseew: C 2 H 4 + PdCl 2 + CH 3CO 2 H → CH 3CO2 CH = CH 2 + 2 HCl + Pd

La adición de benzoquinona a la mezcla de reacción reoxida el paladio a cloruro de paladio. La reacción corresponde al proceso Wacker-Hoechst, en el cual se obtiene acetaldehído a partir de etileno y agua en presencia de cloruro de paladio: C 2 H 4 + PdCl 2 + H 2 O → CH 3CHO + Pd + 2 HCl

En el proceso en fase líquida, una corriente gaseosa de etileno de recirculación atraviesa una solución que contiene ácido acético, agua, subproductos pesados, PdCl2, y CuCl2. Al mismo tiempo también se añade oxígeno que reoxida el paladio y el cloruro de cobre (CuCl). La reacción y regeneración del catalizador se realizan en un sólo paso: CH 2 = CH 2 + PdCl 2 + CH 3CO2 H → CH 3CO2 CH = CH 2 + 2 HCl + Pd

Pd + 2CuCl 2 → PdCl 2 + 2CuCl 2CuCl + 2 HCl + 1 / 2O2 → 2CuCl 2 + H 2 O

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Como se puede apreciar en la última reacción se forma agua en la reoxidación de CuCl; parte del acetato de vinilo obtenido es hidrolizado a acetaldehído y ácido acético. También se forma parte del acetaldehído directamente a partir de etileno. Algunos de los subproductos son CO2, ácido fórmico, compuestos clorados y butenos. La presión de reacción es 3-4 Mpa, y la temperatura 110-130 ºC. El ratio de acetaldehído que se transforma en acetato de vinilo puede ser controlado ajustando la concentración de agua y el tiempo de residencia.

2.1.3. PROCESO EN FASE GASEOSA

Este proceso fue desarrollado a escala industrial poco después que el proceso en fase líquida, y ha sido utilizado en la industria desde 1968. Actualmente, el 80% del acetato de vinilo producido en el mundo se obtiene mediante el proceso en fase gaseosa. Hay dos variantes de este proceso: una desarrollada por National Distillers Products (Estados Unidos) y otra desarrollada por Bayer en cooperación con Knapsack y Hoechst (Alemania). La mayoría de las plantas emplean la segunda variante, de la cual hay muchas versiones. En el proceso en fase gaseosa el etileno reacciona con ácido acético y oxígeno en un lecho catalítico sólido, obteniendo acetato de vinilo y agua: CH 2 = CH 2 + CH 3CO2 H + 1 / 2O2 → CH 3 CO2 CH = CH 2 + H 2 O

Se trata de una reacción exotérmica, el calor de reacción es el siguiente: ∆H = -178 KJ/mol. Todos los catalizadores utilizados en la industria contienen paladio y sales de metal alcalino en soportes como óxido de aluminio o carbón activado por ejemplo. Entre los activadores adicionales se pueden incluir oro, rodio, platino, y cadmio.

Se puede asumir que el mecanismo de reacción es una secuencia de acuerdo a las siguientes reacciones: Yolanda Sánchez Reina

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CH 2 = CH 2 + Pd (CH 3CO2 ) 2 → Pd + CH 3CO2 CH = CH 2 + CH 3CO2 H Pd + 1 / 2O2 + 2CH 3 CO2 H → Pd (CH 3CO2 ) 2 + H 2 O

Se asume que el paladio se reoxida mediante una reacción redox análoga a la del proceso en fase líquida.

2.2.

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO CON ETILENO EN FASE GASEOSA

2.2.1. SECCIÓN DE REACCIÓN

El proceso industrial de producción de acetato en fase gaseosa consiste en un proceso común y emplea materias primas generalmente disponibles. El acetato de vinilo es empleado principalmente para obtener polivinilo de acetato y otros copolímeros. La sección de reacción de dicho proceso está constituida por diferentes unidades de operación. Tres corrientes de materias primas, etileno, oxígeno y ácido acético, son convertidas a acetato de vinilo. Se obtienen subproductos como el agua y el dióxido de carbono. Se asume que en el proceso se introduce un componente inerte, etano, el cual se alimenta con la corriente fresca de etileno. Tienen lugar las dos reacciones siguientes:

(1)C 2 H 4 + CH 3COOH + 1 O2 → CH 2 = CHOCOCH 3 + H 2 O 2 (2)C 2 H 4 + 3O2 → 2CO2 + 2 H 2 O Las anteriores reacciones son altamente exotérmicas y tienen lugar en el reactor. Se extrae calor del reactor mediante la generación de vapor.

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Figura 2. Proceso de reacción de ácido acético con etileno en fase gaseosa; sección

de reacción

a) Evaporador de ácido acético; b) Reactor; c) Almacenador de gas; d) Intercambiador de calor en contracorriente; e) Refrigerador; f) Columna de lavado del gas de recirculación; g) Compresor del gas recirculado; h) Lavador de agua; i) Lavador de sales potásicas; j) Regeneración de sales potásicas; k) Colector de acetato de vinilo; l) Columna de presdeshidratación; m) Separador de fases

La corriente gaseosa de recirculación, la cual contiene principalmente etileno, se satura con ácido acético en el evaporador (a) y a continuación se calienta hasta la temperatura de reacción. La corriente gaseosa se mezcla entonces con oxígeno en una unidad especial.

La concentración de oxígeno permitida está determinada por los límites de inflamabilidad de la mezcla etileno-oxígeno. Dichos límites dependen de la temperatura, presión y composición. Se puede variar mediante la adición de componentes tales como ácido acético, nitrógeno y argón, los cuales se introducen con el oxígeno o con CO2. En general, la concentración de oxígeno a la entrada del reactor es ≤ 8 % (v/v), basado en la mezcla sin ácido acético. Es muy importante evitar mezclas de gases con capacidad de ignición; se tiene un especial cuidado en mezclas con oxígeno midiendo la concentración del mismo. Si se interrumpiese la corriente de oxígeno, la línea de

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entrada debe ser lavada inmediatamente con nitrógeno para evitar la difusión del gas circulante. La cámara de mezclado se suele rodear de paredes de hormigón. El calor de reacción se elimina mediante la obtención de gas (c). La temperatura de reacción se ajusta mediante la presión de evaporación del agua. El vapor formado se puede emplear en la propia planta. El calor de reacción es aproximadamente 250 KJ/mol (basado en el acetato de vinilo). La conversión del etileno es del 8-10%, y la del ácido acético del 15-35% . La conversión del oxígeno puede llegar a ser del 90% . Debido a que pequeñas cantidades de sales de metal alcalino del catalizador emigran bajo las condiciones de reacción, se mezclan dichas sales con el gas a la entrada del reactor. La corriente gaseosa de salida del reactor se enfría (d) en contracorriente con el gas de recirculación frío, el cual es así calentado. No hay prácticamente condensación del ácido acético, acetato de vinilo o agua. Generalmente no se alcanza el punto de rocío. La mezcla gaseosa se introduce entonces en la columna de predeshidratación (1) y después se enfría (e). El producto líquido está constituido por una mezcla de acetato de vinilo y agua, libre de ácido acético. La mezcla es separada en un separador de fases (m) en una fase acuosa, la cual es eliminada, y una fase orgánica compuesta por acetato de vinilo, la cual se recircula a la cabeza de la columna de predeshidratación. Mediante la columna de predeshidratación se elimina entre el 40 y 50% del agua formada en la reacción, esta cantidad de agua no necesita ser eliminada en la posterior destilación de acetato de vinilo, con el consecuente ahorro energético. La mayor parte de la energía consumida en la destilación se emplea en la eliminación de agua. El acetato de vinilo, con bajo contenido en agua, se acumula en el fondo de la columna de predeshidratación. Plantas más antiguas no disponen de esta columna. La fracción de acetato de vinilo no condensada se extrae de la corriente gaseosa mediante ácido acético en la columna (f). El gas restante se recircula mediante el compresor (g), después de añadirle etileno fresco.

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Para eliminar el CO2 formado en la reacción, parte de la corriente del gas de recirculación es primero lavada con agua en una columna (h) para eliminar el ácido acético restante. El CO2 es entonces absorbido con solución de sales potásicas (mayoritariamente carbonato potásico) en una columna (i). Dicha solución es regenerada mediante despresurización a presión normal y llevándola a ebullición. Dependiendo de la cantidad de CO2 obtenido en el reactor, el contenido deseado de CO2 en el gas circulante se puede ajustar variando la cantidad de gas circulante presente en el lavado, y el grado de absorción en el lavado con sales potásicas. La concentración...