PRODUCCION DE ETILENGLICOL POR HIDRATACION DEL OXIDO DE ETILENO

1.- OBJETIVOS:* Suministrarlasherramientas necesariaspara realizar simulacionesde procesos qumicos, y proveer unaexperiencia de entrenamiento en el uso delsoftware HYSYS.* Mediante una simulacin, demostrar los parmetros adecuados para la obtencin de etilenglicol por la hidratacin de xido de etileno demostrado paso por paso.2.- MARCO TEORICO:OXIDO DE ETILENO:Elxido de etilenoes ungasinflamable dearomams bien fuerte. Se disuelve fcilmente enagua, es una sustancia qumica usada principalmente para fabricarglicol de etileno(una sustancia qumica usada comoanticongelanteypolister).Una pequea cantidad (menos de 1%) es usada para controlarinsectosen ciertos productos agrcolas almacenados, y una cantidad muy pequea se usa en hospitalesparaesterilizarequipo y abastecimientos mdicos.

xido de etileno

GeneralOtros nombres: EpoxietanoFrmula semidesarrollada: C2H4O

Propiedades fsicasDensidad: 899kg/m3; 0,899g/cm3Masa molar: 44.05g/molPunto de fusin: 161K (-112C)Punto de ebullicin: 283,5K (10C)Propiedades qumicasSolubilidaden agua: MiscibleRiesgosInhalacin: Irritacin pulmonar, convulsiones.

Etilenglicol y etilenglicoles superioresEletilenglicol-generalmentedesignadosimplementeglicol,esel producto derivado del xido deetileno ms importante. En la tabla al margen seresumen las producciones de etilenglicol de los pases industriales ms importantes. El etilenglicol se obtiene por adicin deagua al xido de etileno:

En el proceso industrial, el xido de etileno se hace reaccionar con unas diez veces en exceso molar de agua en fase lquida a presin normal y 50-70C en presencia de un catalizador cido (porejemplo,0,5-1,0%H2SO4 o a 140 hasta 230C y 20-40 bars sin catalizador. La obtencin de etilenglicol tiene lugar casi exclusivamente en un reactor acoplado a la oxidacin directa del etileno. La disolucin acuosa resultante de glicol brutose encuentra por evaporacin hasta prximo el 70% y se fracciona por destilacin en variascolumnas dedestilacinal vaci. A pesar del gran exceso de agua la selectividad en mono etilenglicoles solamente de un 90%. Al propio tiempo se obtiene un 9% de diglicol, un 1% de triglicol y etilenglicoles superiores. El rendimiento total llega al 95-96%. Las exigencias de pureza varan segn el empleo a que se destine el glicol; para obtencin de polisteres se proporciona de calidad especialmente alta (purezadel 99,9% en peso).Si en la hidratacin del xidode etileno se disminuye la partede agua, se forman progresivamente di, triy polietilenglicoles:

Otra forma de obtencin parte de la aportacin directa de xido de etileno a los etilenglicoles. Ordinariamente se realiza a 120-150Ccon una ligera sobrepresin, frecuentemente en presencia de uncatalizador alcalino. Al aumentar el peso molecular los polietilenglicolesse conviertenen lquidosviscosos y, finalmente, en productos cerosos, pero continan siendo solubles en agua.Posibilidades de desarrollo de la obtencin de etilenglicolLos perfeccionamientos futuros para la obtencinde etilenglicol tendrn que ocuparse de mejorar la oxidacin del etileno y la hidratacin del xido de etileno. En primerlugar, estn los trabajos de aumento de la selectividad enambas etapas dereacciny la disminucin del gasto de energa necesariopara el aislamiento del glicol de las disoluciones acuosas diluidas.En el futuro, adems, deben ganar importancia los procesos de hidratacin oxidante directa del etileno eludiendo la formacin del xido de etileno. De todas formas los procesos de transformacin del etileno en mono y diacetato de, a pesar desu muy alta selectividad de hasta 98%, conlleva la desventaja delas dos etapas, por la saponificacin del acetato y la recuperacin del actico:

La transformacin de etileno para dar una mezcla de monoacetato de glicol, as como principalmente de diacetato, se realizaen actico a unos170Cy28 bars, en presencia de un catalizador homogneo que contiene teluro y bromuro. En una transformacin de etileno del 60%, se alcanza una selectividad del 96% enacetato de glicol. La hidrlisis del acetato con H2O, en presencia de un cambiador cido de ionesa 90C, alcanza un rendimiento del 95%.Si enel futuro tambin los procesos de oxidacin en una sola etapa con catalizadores, como, por ejemplo, TiO2/HCl, CuBr2/CuBr/HBr, combinacin I2/Cu o Pd(NO3)2 llegan a procesos industriales, se alcanzar posiblemente el ptimo camino para la obtencin deglicol a partir de etileno .El que el etileno contine siendo un producto de partida adecuado, si sigue encarecindose la nafta, quees su materia prima, podra depender de un interesante desarrollo de la UCC. Como producto de partida, la UCC usa el gas de sntesis, que seguramente medio o largo plazo representar el producto bsico ms barato obtenido porgasificacin del carbn. En una reaccin a elevada presin de 1400-3400 bars y a 125-350C, el gas de sntesis, en presencia de carbonilos complejos, se transforma directamente en glicol, 1,2-propandiol y glicerina con una selectividaddel conjunto del 64%.Como productos secundarios se formanmetanol, formiato de metilo y agua.

Aplicaciones del etilenglicolEl etilenglicoltiene dos campos de aplicacin principales:como anticongelante delcircuito derefrigeracinde los motores y como diol para la obtencin depolisteres. El producto ms importante, el tereftalato depolietileno(PET), seemplea principalmente para la fabricacin de fibras, aunque tambin para lminas y resinas.La aplicacindel etilenglicolen estos dos camposdepende del pas y es muy distinta.En los EE.UU., desde hace tiempo, ms del50%es para elsector de los anticongelantes (vase la tabla del margen).A causa de la tendencia hacia los motores pequeos y a la mayorduracin de los intervalos entrecambio de anticongelante, disminuye la proporcin hacia estos productos y se espera que en 1980seigualarnlosconsumosdeetilenglicolpara anticongelantes y para polisteres.En Europa occidental, en 1977, el reparto del consumo de etilenglicol era de slo el 36% para anticongelantes y el 47% para polisteres; en el Japn, por el contrario, slo es el 12% para anticongelantes y, en cambio, el 71% parapolisteres. Los polietilenglicoles (etilenglicoles superiores) se usan solos o esterificados, dependiendo de su peso molecular, comolquidos para frenos, plastificantes o lubrificantes. Adems, se usan para la obtencin de poliuretanos y de resinas polister .Una pequea parte del etilenglicol se destinaa productos derivados.

3. METODOLOGIA:3.1.- MATERIALES Y EQUIPOS.* Programa HYSYS 3.1* Reaccin que viene de parte terica3.2.- METODOLOGIA.* En esta prctica haremos una simulacin de plantas y procesos qumicos, simularemos el proceso de etilenglicol a partir de xido de etileno y agua, en este ejemplo vamos a involucrar un mezclador, el reactor y el destilador.* Abrimos la ventana principal de HYSYS.

* Ejecutando el HYSYS, agregamos nuevo caso, agregamos un nuevo paquete, el tipo de calculo que vamos a ocupar va a ser el de modelos deactividad y el NRTL.

* Agregamos los componentes que vamos a involucrar en la simulacin que en nuestro caso es el xido de etileno el agua y el etilenglicol, lo adherimos como ejemplo sencillo ya que solo vamos a involucrar las especies involucradas en esta reaccin una sola reaccin que es xido de etileno ms agua que nos va a dar etilenglicol, dado que en la realidad hay una reaccin no deseada que es el etilenglicol ms etileno para formar poliglicoles.

* Una vez que agregamos los componentes vamos a la pestaa de coeficientes binarios, hace falta dos coeficientes que son entre el etilenglicol y el xido de etileno.

* Le ponemos al problema para que calcule haciendo click en UNKNOWS ONLY calculando automticamente, el mtodo de estimacin de los coeficientes es el UNIFAC VLE.

* Agregamos la reaccin en la pestaa de RXNS y hacemos click en ADD SET y vemos que si hay reacciones disponibles para nuestras especies, ponemos agregar. Una vez que ya hemos establecido las opciones de nuestro paquete cerramos la ventana.

* En la ventana de SIMULATION BASIS MANAGER verificamos los componentes de la reaccin que son los ya nombrados y seleccionamos la pestaa de REACTIONS.

* Es entonces que nos parece una ventana pequea en la cual nos dan las opciones de reaccin y seleccionamos la opcin KINETIC.

* Sale esta ventana, en la primera dila ponemos los componentes involucrados en la reaccin.

*En la columna de STOICH COEFF son los coeficientes de reaccin, le ponemos negativos para los reactivos y positivo para el producto, esta ventana son los parmetros que van a ocupar nuestra reaccin en el reactor.

* Hacemos click en BASIS va a ser concentracin molar, la unidad el componente limitante va a ser el xido de etileno, la reaccin se va a llevar a cabo en fase liquida y las temperaturas son estimadas por el mismo simulador y las unidades de BASIS UNITS y RATE UNITS las dejamos en kgmole/m3 y kgmole/m3-s.

* En la seccin de PARAMETERS vemos tres opciones de las cuales solo importan A y E, A corresponde a K q es la constante de velocidad de la reaccin y E que es la energa de activacin que se encuentra en la teora, para A es 5e6 y E es 5e4, observamos que la barra inferior se pone verde lo que significa que la reaccin ya est correcta con los valores necesarios para poder ingresarlo a la simulacin.

* Cerramos las ventanas, seleccionamos la reaccin que acabamos de configurar (Rxn-1) y ponemos (ADD TO FP) donde aparece otra ventana.

* Seleccionamos agregar al paquete (ADD SET TO FLUID PACKAGE).

* Vemos que ya se asoci, cerramos y entramos en la mente de simulacin.

* Aqu vamos a establecer dos corrientes de alimentacin que es el icono de flecha azul que se encuentra en la barra de herramientas.

* Hacemos doble click en ella ya aparece la configuracin de estacorriente, una para el xido de etileno en donde ponemos el nombre OXIDO DE ETILENO en la barra de SATREAM NAME a una temperatura de 25 C, la presin de 180 Kpa y el Flujo molar de 105 kgmole/h.

* Ahora seleccionamos a pestaa de COMPOSITION y ponemos 1 para el xido de etileno ya que entra como componente puro y 0 para los otros dos componentes.

* Observamos que la reaccin entra en fase lquido, la fase vapor es cero lo que indica que es agua y cerramos la ventana.

* Agregamos otra corriente que es el agua, seguimos los mismos paso de cambiar el Nombre de STREAM NAME a agua la temperatura a 25 C, la presin a 180 Kpa , el flujo molar es de 150 kmol/h , se va ahora a composiciones poniendo 1 para el agua, 0 para el xido de etileno y 0 para el etilenglicol entonces otra vez la barra inferior se pone de color verde indicando que los valores son correctos.

* Ahora agregamos un mezclador poniendo en el nombre NAME mezclador, en INLETS que son las corrientes de entrada el xido de etileno y agua, en OUTLET que es la corriente de salida ponemos MEZCLA A REACTOR. Se pone verde la barra inferior y ya sabemos lo que significa.

* Ahora ya est la corriente que se alimenta al reactor, entonces agregamos un reactor CSTR.

* Hacemos doble click en donde en la opcin de CONNECTIONS cambiamos el nombre a CSTR ETILENGLICOL. En las corriente de entrada INLET mezcla de reactor, va a tener una purgapor la parte superior VAPOR OUTLET ponemos vapor, por la parte inferior LIQUID OUTLET sale los productos y en la opcin de ENERGY ponemos un calor de reaccin QReaccin.

* Vamos a la opcin de PARAMETERS y el DELTA P ponemos la cantidad de 10 KPa, en el VOLUME de 2 m3 y el porcentaje del nivel lquido LIQUID LEVEL una cantidad de 85 %.

* Ahora hacemos click en la opcin de WORKSHEET que se encuentra en la parte inferior del CSTR, verificamos la temperatura para productos de 65 C.

* Damos click en la opcin de REACTIONS y agregamos la reaccin que configuramos ponindose de color verde y haciendo los clculos el reactor.

* Verificamos haciendo click en la opcin de WORKSHEET en donde observamos los datos obtenido de productos y vapor, luego verificamos tambin en la opcin de COMPOSITION en donde vemos los datos obtenidos por los clculos del programa que son correctos ya que la barra inferior se puso de color verde.

* Agregamos una tabla de composiciones para verificar valores haciendo click derecho en la parte de la ventana de simulacin, vemos que aparece un cuadro y hacemos click en la ltima opcin y aparece un cuadro adicional.

* hacemos click en COMPOSITOR y aparece el cuadro de composiciones de la reaccin que hemos simulado indicando que si se llev a cabo la reaccin.

* Ahora para agregar otro cuadro pero esta vez de MATERIALS para ver los materiales y cantidades delreactor, estos cuadros son opcionales solo para ver las composiciones de los reactantes.* Ahora ponemos una vlvula para reducir la presin, hacemos doble click y aparece el cuadro de configuracin de la vlvula, le cambiamos el nombre a VALCULA REDUCTORA DE PRESION, luego en la entrada INLET seleccionamos productos y en OUTLET ponemos mezcla de destilacin.

* Seleccionamos la opcin WORKSHEET y bajamos la presin de la mezcla a 120 KPa para que pueda entrar a la torre de destilacin vemos que la barra inferior se pone de color verde que indica que esta correcta la reaccin.

* Ahora agregamos la torre de destilacin o columna de destilacin. Hacemos doble click, le cambiamos el nombre y ponemos en la opcin COLUMN NAME el nombre de la torre que es TORRE DE DESTILACION aqu lo que se va a eliminar es el agua porque en nuestra corriente de productos viene agua tambin y queremos separar el agua del etilenglicol para que nos quede el etilenglicol, la corriente de entrada STREAM se llama mezcla de destilacin , el nmero de platos van a ser 10 la corriente se va a alimentar por el plato nmero 5 INLET STAGE nuestro tipo de condensador va a ser PARTIAL parcial por arriba va a salir una corriente que se va a llamar VENTEO en la opcin de OVERHEAD OUTLETS se va a llamar destilado que va a ser agua en su mayora y por el fondo en la opcin BOTTOMS LIQUID OUTLET vamos a poner etilenglicol o producto terminado, enla opcin de CONDENSER ENERGY STREAM vamos a poner QCond y en la opcin inferior de ROBOILER ENERGY TREAM un QRev, esta ventana ya est completa.

* Le ponemos siguiente y en esta ventana en la opcin de CONDENSER PRESSURE que es la presin del condensador le ponemos 100 KPa, la cada que es CONDENSER PRESSURE DROP va a ser de 0, en el rehervidor REBOILER PRESSURE va a ser 105 KPa.

* Damos siguiente, la temperatura DEL re hervidor OPTIONAL REBOILER TEMPERATURE ESTIMATE es opcional y es estimada a 150 C.

* Le damos siguiente, aqu vamos a eliminar toda el agua en la opcin VAPOUR RATE que equivale aproximadamente a 0 Kmol/h, la tasa del lquido LIQUID RATE va a ser de 45 y el reflujo REFLUX RATIO va a ser de 3 y le damos DONE.

* Aparece la ventana de la torre de destilacin, nos dice que no converge que le hace falta algunos datos entonces nos vamos a la pestaa de DESIGN y luego a SPECS agregamos una ms en el icono de ADD y sale una ventana, seleccionamos la opcin COLUMN FRACTION y hacemos click en ADD SPECS y aparece una ventana que es para especificar y darle otro parmetro a la columna de destilacin, aqu vamos a especificar la opcin CONDENSADOR en STAGE y el componente va a ser el etilenglicol, en la opcin de SPEC VALUE ponemos la cifra de 5e-3 que va a ser la presencia del etilenglicol en los destilados porque queremos que se elimine el agua y quede etilenglicol y como nos nos convergi enlos datos de la columna tenemos que aadir este valor, cerramos esta ventana y hacemos click en la pestaa de RUN y nos converge , ya est en color verde.

* Hacemos click en la pestaa de WORKSHEET y luego en la opcin de COMPOSITIONS y vemos los valores del destilados, mezcla, venteo y etilenglicol, cerramos la ventana.

* Agregamos una tabla de composiciones y de materiales explicados anteriormente y vemos que las composiciones de destilado final es casi todo etilenglicol y en la tabla de materiales salen los valores correctos.

4.- ANALISIS DE RESULTADOS* Usamos el programa de simulacin de reaccin para simular la produccin del etilenglicol siguiendo los pasos correctos.* Se observ que en el programa existe una barra inferior, la cual indica si es que los valores puestos en el programa son correctos ponindose de color verde.* Se tiene que tener mucho cuidado al momento de ingresar los valores ya que el programa puede no reconocer la reaccin y no dar un equipo adecuado en la simulacin.5.- CONCLUSIONES:* Es un ejemplo sencillo y prcticos en el cual podemos agregar un reciclo, intercambiador de calor y otros.* Entendemos los sistemas de hidrocarburos con el fin de efectuar aplicaciones precisas y confiables en el uso del simulador de procesos HYSYS, que investigue diagramas de flujo y modele condiciones de procesos diferentes, con el objeto de optimizarlos con relativa facilidad.