Dimetil Éter

Diseño de procesos

nº

Fundación Universidad de América

Diseño de procesos

Producción de dimetil éter

Correoslizzeth.aponte@estudiantes.uamerica.edu.costefany.mosquera@estudiantes.uamerica.edu.cojuan.mulford@estudiantes.uamerica.edu.co

Estudiantes de Ingeniería Química

Fundación Universidad de América

Síntesis de la red de reactores

DocenteFelipe CorreaAutoresLizzeth Fernanda AponteStefany Mosquera MonroyJuan Camilo Mulford López

Diseño de procesosFacultad de Ingeniería QuímicaFundación Universidad de América

Revista Producción de Dimetil Éter

No. 1 - Marzo de 2021 - Colombia

Página 42

Bibliografía

Índice de contenidos

Página 6

Resumen

Página 40

Conclusiones

Página 38

Simulación

Página 36

Diseño preliminar de bloques

Página 30

Análisis Cinético

Página 24

Análisis Termodinámico

Página 20

Análisis de Potencial Económico

Página 12

Caminos de reacción

Página 10

Introducción

Página 8

Abstract

Resumen

Además, se hizo un análisis termodinámico como cinético para corroborar una reacción para la generación del DME fuera exotérmica y reversible, mostrando así que la misma se encuentra limitada térmicamente afectando el equilibrio. Lo que quiere decir que si no cumple las condiciones anteriormente mencionadas no se llevara a cabo una óptima producción.

energética de la planta, consiguiendo reducir el consumo de útiles en la misma y, por tanto, el coste de producción. Mediante el análisis económico se determina la rentabilidad del sistema diseñado, teniendo en cuenta para su realización el coste de equipos, de materia prima, de catalizador.

El producto obtenido se purifica mediante destilación para obtener dimetil éter de elevada pureza y recuperar el metanol no reaccionado previamente para su recirculación. Para mejorar la eficiencia del proceso se ha realizado la integración

C2H6O

Dimetil éter

Se realizo un diseño para la producción de dimetil éter a partir de la deshidratación del metanol, en donde es utilizado el método indirecto ya que es el que genera más ventajas frente al método directo, para la reacción se utiliza la zeolita como catalizador, porque es el que proporciona alta actividad y selectividad para la formación de dimetil éter.

In addition, a thermodynamic and kinetic analysis was made to corroborate a reaction for the generation of DME that was exothermic and reversible, thus showing that it is thermally limited, affecting the equilibrium. Which means that if you do not meet the aforementioned conditions, an optimal production will not be carried out.

has been carried out, managing to reduce the consumption of tools in it and, therefore, the cost of production. Through the economic analysis, the profitability of the designed system is determined, taking into account the cost of equipment, raw material, and catalyst for its realization.

The product obtained is purified by distillation to obtain high purity dimethyl ether and recover the previously unreacted methanol for recirculation. To improve the efficiency of the process, the energy integration of the plant

Abstract

C2H6O

Dimethyl ether

A design was made for the production of dimethyl ether from the dehydration of methanol, where the indirect method is used since it is the one that generates more advantages compared to the direct method, for the reaction zeolite is used as a catalyst, because it is which provides high activity and selectivity for the formation of dimethyl ether.

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Importancia

Las propiedades físicas del DME en condiciones ambiente de 25 °C y 1 atmosfera son:

Dimetil éter

El dimetil éter (DME, CH3-O-CH3) es el más simple de los éteres, con dos grupos metilos unidos al átomo de oxígeno, un gas incoloro y altamente inflamable.

Introducción

Durante los últimos años el DME ha atraído gran atención como compuesto químico respetuoso con el medio ambiente, siendo materia prima en la industria química para la fabricación de una gran variedad de productos,tales como etileno, propileno, gasolina, hidrógeno, ácido acético o dimetil sulfato

Debido a su baja toxicidad también es frecuentemente usado como propelente y, debido a su fácil compresión, condensación y vaporización, como refrigerante, en sustitución de los clorofluorocarbonos.

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Caminos de Reacción

o comprar el metanol para asegurar uno altamente puro y la forma directa que todo sucede en un solo reactor a partir del gas de síntesis.

Existen dos caminos de reacción para la producción de dimetil Éter en la industria química la forma indirecta que es a partir de la deshidratación del metanol que puede ser obtenido del gas de síntesis

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Es un método sencillo de realizar siempre y cuando venga lo mas puro posible el metanol ya que si esto no es así puede causar que compuestos inertes dañen el catalizador y para dar una solución a ello se debe integrar un acondicionamiento para el reactivo y es este generaría un costo mayor.

Es única reacción deseable, reversible, exotérmica, donde el metanol es el reactivo y el dimetil éter el producto y por ultimo el agua es un subproducto obtenido de la deshidratación del metanol.

2𝐶𝐻3𝑂𝐻 ⇄ 𝐶𝐻3𝑂𝐶𝐻3 + 𝐻2𝑂

La reacción que se lleva a cabo en el proceso es:

Normalmente la reacción se lleva acabo en un reactor catalítico, que consta de una sola etapa ya que la reacción es limitada por el equilibrio químico, es necesario separar los compuestos por medio de un tren de destilación para recircular así el metanol que no reaccionado.

El alcohol primario es protonado por el catalizador acido, lo que es susceptible de ser atacado por otra molécula de alcohol, y de esta manera se crea el éter.

Método Indirecto

Para este caso, la formación del DME, tiene como materia prima el metanol lo más puro posible y se realiza mediante su deshidratación, bajo un catalizador ácido.

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Por ultimo este proceso es complejo ya que la búsqueda de los catalizadores capaces de cumplir dos funciones importantes del proceso, tiene que ser selectivo para un grupo concreto de compuestos.

La reacción 1 y 2 son reversibles, exotérmicas y la ultima es reversible exotérmica pero no deseable.

en la primera reacción es producto y en la segunda es el reactivo así dando lugar a dimetil que sería el producto deseado y el agua un subproducto.

Donde el hidrogeno y monóxido de carbono son reactivos y el metanol

Por lo tanto, la reacción global seria:3𝐻2 + 3𝐶𝑂 ⇄ 𝐶𝐻3𝑂𝐶𝐻3 + 𝐶𝑂2

Reacción de formación de metanol: 4𝐻2 + 2𝐶𝑂 ⇄ 2𝐶𝐻3𝑂𝐻 (1)Reacción de deshidratación del metanol:2𝐶𝐻3𝑂𝐻 ⇄ 𝐶𝐻3𝑂𝐶𝐻3 + 𝐻2𝑂 (2)Reacción agua-gas:𝐶𝑂 + 𝐻2𝑂 ⇄ 𝐻2 + 𝐶𝑂2

Las reacciones que se generan de este proceso son:

es una reacción de formación del metanol, la segunda es la deshidratación de este y acá obtendremos el producto deseado es decir DME y por último la no deseable que es una reacción agua-agua. Para este método debemos buscar un catalizador bifuncional que sea selectivo con el monóxido de carbono y para metanol producido.

Donde se generan dos reacciones catalíticas deseables y una reacción no deseable en un mismo reactor: la primera

Método Directo

En este método podemos decir que refiere a una sola etapa donde entra el gas de síntesis; Este gas es una mezcla entre monóxido de carbono e hidrogeno que se obtiene del gas natural, carbón o gasificación de biomasa.

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En la siguiente sección se podrá encontrar el análisis del potencial económico de la producción del Dimetil Éter (DME)

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Análisis Potencial Económico

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Nos permite tomar una decisión ya que revela un gran interés económico.

La alimentación estimada por unas series de plantas han sido 500 kmol/h, lo que nos deja las ventas anuales de DME que son 58’985.460 m3/año y el gasto de metanol son 146.736 m3/año,

por lo que el potencial económico nos da:

El precio de compra del metanol es de $402 USD por metro cúbicos y el precio de venta del dimetil éter es de $692 USD por metro cúbico.

𝑃𝐸 = Ventas DME − Gastos reactivo

Para analizar la viabilidad de este método se puede considerar como primer criterio económico el potencial económico (PE), donde se toma las ventas del producto obtenido menos los gastos de reactivos por año, donde este debe ser mayor a cero.

Los únicos compuestos que entraran al reactor serán el metanol, el metanol con trazas de dimetil éter recirculado y agua obtenida de la deshidratación.

Análisis Potencial Económico

Teniendo en cuenta los dos caminos de obtención de dimetil éter manejados en la industria química, se opta por seleccionar el método indirecto que es la deshidratación del metanol debido a la baja cantidad de productos y reactivos manejados, esto hace que la separación de los compontes y la inversión de los equipos sea más sintetizada, asegurando una alta pureza, gracias a que no se generaran reacciones secundarias.

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En la siguiente sección se podrá encontrar el análisis termodinámico para la producción del Dimetil Éter (DME)

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Análisis Termodinámico

La energía Gibbs es un potencial térmico que se usa para calcular si una reacción es espontanea o no y en base a esto ver si es reversible o no, a unas condiciones específicas. Como se puede observar en la gráfica a medida que aumenta la temperatura la energía de Gibbs también aumenta, lo que quiere decir que son directamente proporcionales lo que nos indica que la reacción no es espontanea por ende la reacción es reversible.

Para comprobar que la reacción de la producción del dimetil éter fuera altamente exotérmica, se realizó los cálculos del comportamiento de la entalpia con respecto a la variación de la temperatura dentro del rango permitido para la operación del sistema, observando así que conforme la temperatura va incrementado, la entalpia va disminuyendo (obteniendo un valor negativo) y esto nos representa que efectivamente la reacción es altamente exotérmica, es decir que el sistema cede calor a sus alrededores.

Gráfica 2 - Comportamiento de la energía de Gibbs VS Temperatura

Gráfica 1 - Comportamiento de la Entalpia VS Temperatura

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GRÁFICAS ANÁLISIS TERMODINÁMICO

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Gráfica 4 - Gráfica de superfice de la producción de Dimetil Éter

En la gráfica 3 se muestra el comportamiento del logaritmo natural del equilibrio con el inverso de la temperatura dando, así como resultado una regresión lineal con una pendiente positiva (2081,2), esta pendiente se multiplica por menos uno, para determinar que la entalpia es negativa, reiterando que la reacción generada para producción dimetil éter es exotérmica logrando un modelamiento correcto.

Gráfica 3 - Comportamiento del Ln Keq VS el inverso de la temperatura

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Gráfico de superficie

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En la siguiente sección se podrá encontrar el análisis cinético para la producción del Dimetil Éter (DME)

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Análisis Cinético

Gráfica 5 - Gráfica Isocinética

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Las corrientes de cada compuesto en cualquier punto del reactor, que serán función de la conversión, serán las siguientes:

Las siguientes expresiones son las que conforman el sistema de reacción según el catalizador usado, que deja ver el carácter de reacción reversible limitada por el equilibrio químico:

Cinética

Reacción

Es única reacción deseable, reversible, exotérmica, donde el metanol es el reactivo y el dimetil éter el producto y por último el agua es un subproducto obtenido de la deshidratación del metanol.

Los catalizadores para esta situación son zeolíticos a base de ZSM-5 son aluminosilicatos cristalinos hidratados de composición abierta conformada por tetraedros de SiO4 y AlO4 ligados entre sí por los átomos de oxígeno, con formula general:

Normalmente, la actividad aumenta con una más grande acidez, no obstante, si esta es bastante alta causaría la conversión del DME y conformado en otros hidrocarburos, por lo cual se debe buscar un catalizador correcto, que ofrezca los superiores resultados referente a actividad y selectividad.

Los componentes primordiales que influyen en la actividad y la selectividad del catalizador (en la actitud de deshidratación de metanol) son los grados de acidez y las propiedades estructurales como el reparto de tamaño de los poros.

Catalizador

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Gráfica 6 - Gráfica Isoconversa

Gráfica Isoconversa

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Estas expresiones de presiones parciales son las que se introducen en la cinética química para realizar la integración en función de la conversión de reactivos.

de la conversión en cada punto del reactor y las expresiones de los flujos molares según los balances de materia, queda lo siguiente:

Sustituyendo en las expresiones de la presión parcial de cada compuesto las fracciones molares en función

Para el cálculo de las presiones parciales, considerando mezcla ideal, se calcularán a partir de la Ley de Dalton; presión total del sistema multiplicado por la fracción molar de cada compuesto:

Según la estequiometría de la reacción, la relación entre reactivos y productos es 1, es decir, que no existe cambio de moles a lo largo del reactor. Por otro lado, por cada mol reaccionado de MeOH, se produce ½ de DME y ½ de H2O.

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Heurísticas

Diseño Preliminar de Bloques

1. Si una impureza en la alimentación es un producto alimentarlo a la planta a través del sistema de separadores. (Arce M, Enrique. 2011).
2. Si va a aumentar la presión de una corriente, bombeé un líquido en vez de comprimir un gas. (Arce M, Enrique. 2011)
3. Para reacciones en competencia ajustar T, P y catalizador para aumentar el rendimiento de los productos deseados. (Arce M, Enrique. 2011).
4. Las temperaturas se controlan con los equipos instalados para ello (intercambiadores, serpentines, mezclas de corrientes), más próximos a la variable que se desea controlar. (Gonzalo, Alberto. 2012).
5. La presión de un gas o vapor se controla con la corriente (en fase gas o vapor) más próxima que tenga una válvula de control. (Gonzalo, Alberto. 2012).

La siguiente simulación se hizo en el software Coco

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Simulación

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• Analizando los caminos de reacción se determino que el mejor método a nivel económico como de diseño es el indirecto, aunque se presenten limitaciones este método garantiza que se lleva a cabo la producción del DME• Observando las gráficas de isocinética e isoconversa, se puede evidenciar la limitación térmica que tiene la producción del DME. • En la gráfica de superficie se presenta temperatura es inversamente proporcional a la conversión hasta el punto de una conversión constante. • Con el cálculo de la energía libre de Gibbs se demostró que la reacción para la producción del DME es espontanea, exotérmica y reversible. • Teniendo en cuenta todos los análisis realizados en el diseño se pudo determinar las condiciones óptimas y las heurísticas para lograr el producto deseado con una alta pureza y conversión.

Conclusiones

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• Merck. (2021). Metanol - Dimetil. Merck. Tomado de https://www.sigmaaldrich.com/catalog/search?term=67-56-1&interface=CAS%20No.&N=0&mode=partialmaxfocus=product&lang=en&region=CO&focus=product&gclid=Cj0KCQjwutaCBhDfARIsAJHWnHvYZNKE2DJ8wErj-luXkBxQuaad0DxdnlSatfJ46JMEb3KdmBVILMgaAt73EALw_wcB
• Ramos R, Francisco J. (2015). Ingeniería Básica de una Planta de Producción de Dimetil Éter a partir de Metanol. Universidad de Sevilla. Tomado de https://idus.us.es/bitstream/handle/11441/39367/Ramos%20Rodr%C3%ADguez%2C%20Francisco%20Jos%C3%A9.pdf?sequence=1&isAllowed=y
• Perez, Luis M. Del P, Emanuel N. Cavagnola, Marco A. (2018). Producción de Dimetil Éter por deshidratación catalítica de metanol. Universidad Nacional de Cuyo. Tomado de https://bdigital.uncu.edu.ar/objetos_digitales/10771/produccin-de-dimetil-eter.pdf
• Abascal, José G. (2018). Process design and control of dimethyl ether synthesis. Universidad Politécnica de Madrid. Tomado de http://oa.upm.es/42670/1/TFG_LAURA_MARTIN_MENDEZ.pdf
• Peláez F, Raquel. (2016). Diseño de un proceso catalítico para la obtención de dimetil éter a partir de gas de síntesis en una sola etapa. Universidad de Oviedo. Tomado de https://digibuo.uniovi.es/dspace/bitstream/handle/10651/39154/TFM_RaquelPelaezFernandez.pdf?sequence=1&isAllowed=y
• Sánchez N, Eduardo. (2018). Diseño mejorado del proceso de producción de Dimetil Éter. Universidad Politécnica de Madrid. Tomado de http://oa.upm.es/51990/1/TFG_EDUARDO_SANCHEZ_NOCETE.pdf

Bibliografía

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• Gonzalo, Alberto. (2012). Simulación y Control de una planta para la producción de Dimetil Éter. Tomado de https://core.ac.uk/download/pdf/289971992.pdf
• Arce M, Enrique. (2011). Introducción al Diseño Básico de los Procesos Químicos. Tomado de https://drive.google.com/file/d/1V1di2NnfdSBh-sgRdRzpYZLYYSc_UsL7/view
• Jaime A, Calvache. (2020). Yaws handbook of thermodynamic (excel). Fundación Universidad de América.

Bibliografía

Fundación Universidad de América

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