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Proyecto Análisis de ciclo de vida del proceso de producción de acetona (proyecto completo) materia optativa de ingeniería química....

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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL ESTADO DE MORELOS Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería

Proyecto Final Análisis de Ciclo de Vida del Proceso de Producción de Acetona

Delgado Ortiz Laura Alejandra Meza Rodríguez Mariela Fernanda

Dr. Antonio Rodríguez Martínez

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RESUMEN Hoy en día, existe mayor preocupación por dar una adecuada protección al entorno en el que nos desarrollamos y los impactos ambientales que se encuentran asociados a los diferentes productos que se consumen, es por esta razón que cada vez es mayor el interés por desarrollar nuevas formas de enfrentar estos impactos. En el presente análisis que evalúan el ciclo de vida dos proceso para la producción de acetona, vía cumeno y vía alcohol isopropílico. La categoría de impacto se presenta el Potencial de Calentamiento Global en función de las emisiones de gases de efecto invernadero, se tomaron en cuenta los gases que presentan mayor cantidad de emisión en ambos procesos. En la comparación de ambos procesos, el alcohol isopropílico presenta mayor cantidad de emisiones de gases de efecto invernadero y el gas emitido en mayor cantidad por ambos proceso es metano. Se plantean recomendaciones para reducir las emisiones de gases y mejorar la eficiencia de los proceos.

INTRODUCCIÓN Producción de Acetona

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La acetona es el compuesto más simple del grupo de cetonas, es un disolvente importante en diversas actividades industriales pero su mayor aplicación es como una materia prima para la producción de muchos otros productos químicos. El consumo de acetona ha ido creciendo a lo largo de los años y con ello se han ido mejorando los método de obtención de ella. En el 2013 el mayor consumo de acetona en el mundo fue por Estados Unidos, Europa Occidental y China. Se espera que la demanda crezca en América Latina, Oriente Medio y África del Norte. La producción de acetona a nivel mundial durante el 2015 fue de 6 millones de toneladas, y se espera que para el 2020, el consumo de acetona sea de 7 millones de toneladas. La mayor cantidad la esa producción proviene de la coproducción de fenol vía cumeno, también llamado método de Hock. En este proceso se obtiene fenol de alta calidad y acetona de alta calidad como subproducto, además es un proceso optimizado en el que se aprovecha al máximo la materia prima disminuyendo las pérdidas por excesiva compra de materia prima costosa. Las etapas principales que componen el proceso son la

oxidación en la que el cumeno reacciona con oxígeno para dar hidroperóxido de cumeno y la escisión en un medio ácido, en la que el hidroperóxido de cumeno se divide en fenol y acetona. Otra técnica para obtener acetona es mediante la deshidrogenación catalítica de alcohol isopropílico vaporizado. Las principales etapas que componen el proceso son la deshidrogenación del alcohol isopropílico, posteriormente se extrae la acetona en una etapa de enfriamiento para separarla del hidrógeno. Se obtiene hidrógeno con 99 % de pureza y acetona con pureza de 99.5 %. Objetivos del proyecto Objetivo general. Aplicar el análisis de ciclo de vida al proceso para la producción de acetona por el método de Hock.

El consumo de Acetona ha incrementado en los últimos años debido al incremento de la industria automovilista y farmacéutica y seguirá incrementando en los próximos años, por ello diversos países han implementado la producción de este compuesto dentro de sus actividades industriales para cubrir su demanda nacional e incrementar su producción hasta alcanzar la exportación. El método de Hock es la técnica más utilizada para la producción de acetona que constantemente se optimiza y el que proporciona una mejor calidad de producto. Alcance Realizar el análisis de ciclo de vida al proceso de producción de acetona para determinar la viabilidad ambiental del proceso. ANÁLISIS DE CICLO DE VIDA

Objetivos específicos.

MARCO TEÓRICO

Aplicar el análisis de ciclo de vida al proceso de producción de acetona vía síntesis de fenol. Conocer los impactos ambientales provocados por la producción de acetona.

Las cetonas se encuentran distribuidas en la naturaleza más que todo en los vegetales. En la década de 1850, el profesor químico Alexander Williamson, preparó cetonas a raíz de la destilación de sales de calcio de ácidos orgánicos, logrando las primeras indicaciones sobre los mecanismos de una reacción.

Implementar nuevas técnicas y métodos dentro del proceso químico para disminuir los impactos ambientales. Motivación 3

Aunque el proceso es orientado a la producción de fenol; la acetona será un subproducto de la reacción del cumeno con aire atmosférico, donde existe una reacción intermedia muy importante que es la del hidroperóxido de cumeno con ácido sulfurito diluido. Si se observa en la literatura existen muchas vías para obtener acetona, como el método del acetileno, el método del propileno, de Isopropil alcohol, de ácido acético, por destilación de la madera, entre otros, pero es de notar que la vía cumeno es la más viable en economia para obtener acetona. El proceso de cumeno tiene muchos factores a su favor, ya que no se desperdician productos costosos, como el ácido sulfúrico. Posee condiciones suaves y el costo del equipo es bajo. Una desventaja que puede ser manejable, es la manipulación del hidroperóxido de cumeno, ya que a ciertas condiciones de temperatura y concentración es explosivo y puede ser inflamable. Antes de la segunda guerra mundial, la acetona fue sintetizada por destilación seca de Acetato de Calcio, luego nuevos métodos surgieron como el proceso de fermentación desarrollado por Weizmanm y Hamlym que implicaba la conversión de carbohidratos a acetona y alcohol butílico y etílico usando bacilos. Hacia los años de 1950 nuevos métodos aparecieron, entre los que 4

se destacan los procesos de hidroperóxido de cumeno a fenol y la deshidrogenación de alcohol isopropílico. Pero el proceso descrito por Hock y LanckBericht conocido como método de Hock, implicó una nueva forma de producir acetona y fenol a bajos costos y excelente producción a partir de cumeno, es así que hacia 1985 el 90% del fenol sintetizado de los Estados Unidos se producía vía cumeno, y en países y territorios como Gran Bretaña, Europa Occidental y otros, implementaron este método como el principal para producir acetona El Análisis del Ciclo de Vida (ACV) es un proceso objetivo que nos permite evaluar las cargas ambientales asociadas a un producto, proceso o actividad, identificando y cuantificando tanto el uso de materia y energía como las emisiones al entorno, para determinar el impacto de ese uso de recursos y esas emisiones y para evaluar y llevar a la práctica estrategias de mejora ambiental. El ACV incluye el ciclo completo del producto, proceso o servicio, teniendo en cuenta las etapas de extracción y procesado de materias primeras, producción, transporte y distribución, uso, reutilización y mantenimiento, reciclado y disposición final. La herramienta del Análisis del Ciclo de Vida fue desarrolla en los años

sesenta y es utilizada para la prevención de la polución desde los setenta. Podemos decir que no existen procedimientos específicos o guías a seguir, pero si una serie de pasos que pueden ser útiles en función de las necesidades a resolver por medio de esta metodología. La metodología establecida por ISO 14040 consiste en cinco pasos. La primera fase consiste en la identificación y descripción de todas las etapas del ciclo de vida de los productos, establecer los objetivos del análisis y el alcance que tendrá, es decir, delimitar el sistema en las principales etapas a analizar, la categorías ambientales que se estudiarán y la unidad funcional con la que se cuantificarán y compararán las categorías estudiadas. La tercera etapa consiste en el análisis de inventario, en el cual se descompone el sistema estudiado para recopilar toda la información de interés, como la cantidad de materia prima, la energía consumida, los medios de transporte, todas las entradas y salidas de productos. La cuarta fase consiste en evaluar los impactos ambientales que pueden generar los elementos identificados en el análisis de inventario, de acuerdo a la categoría de impacto seleccionada y a la metodología elegida. La última fase consiste en interpretar los resultados del análisis de impacto, establecer recomendaciones para los 5

sistemas analizados conclusiones.

y

plantear

METODOLOGÍA Objetivos y Alcance El objetivo de este estudio ha sido la evaluación del ciclo de vida de los procesos que sintetizan la acetona. La información se ha recopilado de diferentes autores de diseño de plantas para este proceso. Los resultados se han comparado con bases de datos y bibliografía de distintos autores. Se comparan los resultados con la información de otras técnicas de síntesis de acetona y se determina el impacto ambiental por la producción de acetona en función de los gases de efecto invernadero. La unidad funcional para realizar las comparaciones se toma 1kilogramo / hora de acetona con una composición de 99.7 % en peso. Análisis de Inventario Se ha recopilado información de una empresa productora de fenol y acetona vía cumeno, por diseño de plantas y distintos autores para identificar las distintas técnicas que sintetizan acetona, además para plantear las etapas que conforman el proceso que serán analizadas como parte del ciclo de vida.

Se ha colectado el balance de masa y energía para tomar en cuenta los aportes de materias primas, los productos y subproductos obtenidos y la cantidad de energía requerida para Figura 1. Diagrama de proceso del método vía cumeno el sistema del método de Hock al igual para el proceso de obtención vía deshidrogenación de alcohol isopropílico, tomando el proceso de Turton, para realizar la comparación.

Figura 2. Diagrama de proceso para metodología vía cumeno En el método de Hock, por cada kilogramo de cumeno que se procesa, se requiere de 0.6 MJ de electricidad y 9.1 MJ de vapor.

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Figura 3. Diagrama de proceso vía alcohol isopropílico. Datos de Inventario Método de Hock Entradas de Kg materiales Cumeno 325,455 Fenol (99.9%) 0 Acetona (99.7%) 0 Agua (glicol 30%) Salidas de Kg materiales Cumeno 0 Fenol (99.9%) 624,840 Acetona (99.7%) 213,431 Agua (glicol 30%) Consumo de MJ Energía Electricidad 0.6 Vapor 9.1

Datos de Inventario Deshridogranació de Alcohol n Entradas de Kg materiales Hidrógeno 34.8 Acetona 0 Alcohol Isopropílico 2,322 Agua 645 Salidas de Kg materiales Hidrógeno 34.8 Acetona 4,208.5 Alcohol Isopropílico 1.2 Agua 360 Consumo de MJ Energía Electricidad _____ Vapor _____ Evaluación del impacto del ciclo de vida Se evalúa el impacto ambiental utilizando la herramienta SimaPro, en el software se introduce la información recolectada en la etapa de análisis de inventario de cada proceso. El programa permite determinar el perfil ecológico del sistema analizado, con él se determinaron los gases de efecto invernadero que tienen mayor impacto La metodología seleccionada para la evaluación del impacto ambiental es IPCC.

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La categoría de impácto escogida para este análisis es GWP con resultados en Kilogramos de Etano, Éter, Metano y Propano eq por unidad funcional. Los impactos mayores deberían ser a causa del la emisión de gases de efecto invernadero, sin embargo, no quiere decir que no se produzcan otros impactos mayores relacionados convertidos, emisiones y consumo de recursos naturales.

Evaluación del Impacto Se considera al Potencial de Calentamiento Global, como la categoría de impacto a analizar. Para ambos procesos se analizan los gases de efecto invernadero emitidos durante su ciclo de vida. Las tablas 1 y 2 , muestran las emisiones de gases de cada proceso. Se compara GWP en función de los gases de efecto invernadero Tabla 1. Acetona mediante cumeno

Etano 52546

Éter 28638

Metano 65903.14

Propano 44350

Tabla 2. Acetona mediante alcohol isopropílico

Etano Éter 61537.89 30217.92

Metano 67215.25

Propano 56785.52

En la Figura 4 se observa que el Dióxido de carbono está presente en mayor cantidad en las emisiones del proceso vía cumeno, seguido de metano y monóxido de carbono.

DISCUSIÓN DE RESULTADOS Interpretación y Recomendaciones En la figura 5 se compara GWP en función de los gases de efecto invernadero de los dos procesos

Figura 4. Emisiones de Gases de efecto invernadero por método vía cumeno

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Figura 5. Comparación de las emisiones de ambos procesos

Se puede observar en la gráfica comparativa que el proceso con mayor cantidad de emisiones para todos los gases es el proceso vía alcohol isopropílico. El metano, es el gas que se emite en mayor cantidad por ambos procesos, seguido del etano. Se recomienda optimizar el proceso de acetona mediante alcohol isopropilico para la producción única de acetona y mejorar la eficiencia de ambos procesos para tener menores impactos al medio ambiente. CONCLUSIONES El presente análisis de ciclo de vida para la producción de acetona mediante cumeno, se utilizaron las unidades de CO2, metano, propano, etano y éter equivalente como método de comparación para la evaluación del impacto, siendo metano y etano los de mayor impacto tanto en el proceso con cumeno como con alcohol isopropilico, la liberación de estos gases tiene mayor impacto en el proceso con alcohol isopropilico, siendo la producción con cumeno quien tiene menores impactos, también este proceso es más eficiente y común en la industria

REFERENCIAS 1. Acevedo, F. J. (2006). Ingeniería Conceptual de una Planta de Producción de Acetona. Recuperado el 01 de Noviembre de 2018, de Biblioteca de Ingeniería. Universidad de Sevilla: http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/90684/fichero/tfg %252FTFG.FranciscoJuanVaqueroAcevedo.pdf? fbclid=IwAR3DTFkS8DZFh5fmPLCoLYy6A8S_uQ8EBMlZouRtmtciT6COxe46SYxm5H4 2. Design Project. Acetone Production. (Marzo de 2009). Recuperado el 20 de Noviembre de 2018, de West Virginia University: https://cbe.statler.wvu.edu/files/d/c8a84b67-fde5-43ff-813125009fdf48df/acetone-c.pdf 3. Elfasakhany, A. (Febrero de 2016). erformance and emissions analysis on using acetone– gasoline fuelblends in spark-ignition engine. ELSEVIER , 1-8. 4. Luyben, W. L. (2011). Design and Control of the Cumene Process. En J. W. Sons, Principles and Case Studies of Simultaneous Design (págs. 135 - 158). John Wiley & Sons, Inc. 5. Richard Turton, R. C. (2009). Analysis, Synthesis, and Design of Chemical Processes (3th ed.). Boston, Ma: Prentice Hall. 6. Rodríguez, M. (Junio de 2012). Chemical Technology Lab. Recuperado el 05 de Noviembre de 2018, de Proceso de Fabricación de Acetona: http://www.diquima.upm.es/old_diquima/docencia/control_procesos/docs/acetona_junio2012? fbclid=IwAR1VhC6wtbAiOhyRcaXzcfulteL3ECTuHtxDOu7W6No_Fc3DCZOJgt9roTc 7. Turton, R. (1998). Design Problems for the Acetone Production. Recuperado el 20 de Noviembre de 2018, de West Virginia University: https://richardturton.faculty.wvu.edu/files/d/843af43f-8ebf46f9-b436-d875a616823c/acetone1.pdf

8. SimaPro software version 7.0. 9. IPCC Inventory Software.

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