José Luis Moltó Marín - Diseño de Una Unidad de Producción de Solketal

7/25/2019 Jos Luis Molt Marn - Diseo de Una Unidad de Produccin de Solketal

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UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID

FACULTAD DE CIENCIAS QUMICAS

DEPARTAMENTO DE INGENIERA QUMICA

DISEO DE UNA UNIDAD DE PRODUCCIN DE SOLKETAL

Por:

Jos Luis Molt Marn

TRABAJO FIN DE GRADO

Presentado como requisito para optar al ttulo deGraduado en Ingeniera Qumica

Madrid, Septiembre de 2014


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UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID

FACULTAD DE CIENCIAS QUMICAS

DEPARTAMENTO DE INGENIERA QUMICA

DISEO DE UNA UNIDAD DE PRODUCCIN DE SOLKETAL

Por:

Jos Luis Molt Marn

Tutores:

Miguel Ladero GalnJos Luis Sotelo Sancho

TRABAJO FIN DE GRADO

Presentado como requisito para optar al ttulo deGraduado en Ingeniera Qumica

Madrid, Septiembre de 2014


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ii

DR. MIGUEL LADERO GALN Y DR. JOS LUIS SOTELO SANCHO,

PROFESORES DEL DEPARTAMENTO DE INGENIERA QUMICA DE LA

FACULTAD DE CIENCIAS QUMICAS DE LA UNIVERSIDAD

COMPLUTENSE DE MADRID,

CERTIFICAN: Que la presente memoria titulada Diseo de una unidad de

produccin de solketal, constituye la Memoria del Trabajo Fin

de Grado presentada como requisito para optar al ttulo de

Graduado en Ingeniera Qumica por la Universidad Complutensede Madrid, y ha sido realizada bajo nuestra tutela.

Y para que as conste, firman el presente certificado en Madrid a diez de

septiembre de dos mil catorce.

Fdo.: Miguel Ladero Galn Fdo.: Jos Luis Sotelo Sancho


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iii

NDICE GENERAL

1. INTRODUCCIN Y OBJETIVOS .......................................................................1

2.

ESTUDIO DE VIABILIDAD ................................................................................3

2.1. Definicin, propiedades y aplicaciones del solketal .............................................. 3

2.1.1. Definicin .......................................................................................................... 3

2.1.2. Propiedades y aplicaciones ................................................................................ 4

2.2. Valorizacin del glicerol ....................................................................................... 5

2.3. Aditivos oxigenados de los combustibles .............................................................. 7

2.4. La sntesis del solketal ........................................................................................... 9

2.5. Estudio de las materias primas ............................................................................ 10

2.5.1. Glicerol ............................................................................................................ 10

2.5.2. Acetona ............................................................................................................ 13

2.6. Anlisis del mercado ........................................................................................... 15

2.6.1. Anlisis de mercado del biodisel ................................................................... 15

2.6.2. Anlisis de mercado de los aditivos oxigenados ............................................. 17

2.6.3. Anlisis del consumo aparente en Espaa ....................................................... 18

2.7. Precio del solketal ................................................................................................ 19

2.8.

Seleccin de la localizacin ................................................................................. 20

2.9. Definicin del tamao de la planta ...................................................................... 21

3. MEMORIA TCNICA ........................................................................................22

3.1. Lmites de batera ................................................................................................ 22

3.2. Estudio de la reaccin .......................................................................................... 23

3.2.1. Catalizador y mecanismo de reaccin.............................................................. 24

3.2.2. Anlisis termodinmico ................................................................................... 25

3.2.3. Anlisis cintico ............................................................................................... 27

3.2.4. Condiciones de operacin ................................................................................ 28

3.3. Termodinmica de los compuestos y sus mezclas .............................................. 31

3.3.1. Modelo termodinmico .................................................................................... 31

3.3.2. Anlisis de azetropos ..................................................................................... 33

3.4. Descripcin del proceso....................................................................................... 34

3.4.1. Descripcin general del proceso ...................................................................... 34

3.4.2. Descripcin detallada del proceso ................................................................... 35

3.5.

Balances de materia y energa ............................................................................. 36


5/123

iv

3.6. Integracin energtica.......................................................................................... 36

3.7. Seleccin y dimensionado de los equipos ........................................................... 38

3.7.1. Dimensionado del equipo de reaccin ............................................................. 38

3.7.2.

Dimensionado del equipo de separacin C-001 .............................................. 43

3.7.3. Dimensionado del equipo de deshidratacin C-002 ........................................ 49

3.7.4. Dimensionado del equipo de deshidratacin M-001 ....................................... 53

3.7.5. Dimensionado de los depsitos de reflujo de las columnas ............................. 55

3.7.6. Dimensionado de los equipos de intercambio de calor .................................... 56

3.7.7. Dimensionado de los equipos de impulsin .................................................... 58

3.8.

Diseo mecnico de los equipos .......................................................................... 59

3.9.

Diagrama de tuberas e instrumentos................................................................... 60

3.9.1.

Equipos de reaccin ......................................................................................... 60

3.9.2.

Equipos de separacin y deshidratacin .......................................................... 61

3.9.3.

Otros controles ................................................................................................. 61

3.10.

Seguridad de la planta ...................................................................................... 62

3.10.1.

Estudio de los compuestos ........................................................................... 62

3.10.2.

Distribucin en planta de los equipos .......................................................... 69

3.10.3.

Elementos de seguridad ................................................................................ 70

4.

IMPACTO AMBIENTAL....................................................................................71

4.1. Efluentes lquidos ................................................................................................ 71

4.2. Residuos slidos .................................................................................................. 72

4.3. Emisiones gaseosas ............................................................................................. 72

4.4. Otros impactos ..................................................................................................... 73

4.4.1. Ruido ................................................................................................................ 73

4.4.2. Suelo ................................................................................................................ 74

4.4.3. Impacto visual .................................................................................................. 74

5. PRESUPUESTO...................................................................................................75

5.1. Capital inicial ....................................................................................................... 75

5.1.1. Inmovilizado .................................................................................................... 75

5.1.2. Capital circulante ............................................................................................. 78

5.2. Ingresos ................................................................................................................ 78

5.3. Costes de produccin ........................................................................................... 79

5.3.1. Costes de fabricacin directos ......................................................................... 79

5.3.2.

Costes de fabricacin indirectos ...................................................................... 79


6/123

v

5.3.3. Gastos generales .............................................................................................. 83

5.4. Estudio de la rentabilidad .................................................................................... 83

5.4.1. Flujo de caja ..................................................................................................... 83

5.4.2.

Tasa de descuento ............................................................................................ 85

5.4.3. Valor de desecho .............................................................................................. 85

5.4.4. Rentabilidad de la inversin ............................................................................ 86

5.4.5. Plazo de recuperacin de la inversin .............................................................. 86

5.4.6. Valor actual neto (VAN) .................................................................................. 86

5.4.7. Tasa interna de rentabilidad (TIR) ................................................................... 86

5.5.

Anlisis de la rentabilidad ................................................................................... 87

6.

BIBLIOGRAFA ..................................................................................................88

7.

APNDICES ........................................................................................................93


7/123

vi

NDICE DE TABLAS

Tabla 2.1. Principales propiedades del solketal. ............................................................... 4

Tabla 2.2. Principales propiedades del glicerol .............................................................. 11

Tabla 2.3. Principales especificaciones de los tipos de glicerol comercial. ................... 13

Tabla 2.4. Principales propiedades de la acetona. .......................................................... 14

Tabla 2.5. Anlisis econmico de la produccin de 1 kg de solketal. ............................ 20

Tabla 2.6. Capacidades de los productores de ETBE y MTBE en Espaa. ................... 21

Tabla 3.1. Composiciones y caudales en masa de las corrientes de entrada. ................. 22

Tabla 3.2. Composicin y caudal en masa de la corriente de solketal producto. ........... 22

Tabla 3.3. Principales propiedades del catalizador Amberlyst-36. ................................ 24

Tabla 3.4. Valores de los parmetros termodinmicos. .................................................. 26

Tabla 3.5. Parmetros de k, KWy KCy su valor a temperatura ambiente. ..................... 27

Tabla 3.6. Parmetros necesarios para el clculo de la difusividad. .............................. 29

Tabla 3.7. Parmetros necesarios para el clculo de Sc y Rep........................................ 30

Tabla 3.8. Parmetros necesarios para la integracin energtica. .................................. 37

Tabla 3.9. Necesidades energticas del proceso. ............................................................ 37

Tabla 3.10. Servicios necesarios en el proceso. ............................................................. 37

Tabla 3.11. Composicin de las corrientes del reactor. .................................................. 38

Tabla 3.12. Parmetros para el clculo de la temperatura de salida. .............................. 40

Tabla 3.13. Conversin, temperatura, cantidad de catalizador y volumen de cada lecho......................................................................................................................................... 42

Tabla 3.14. Dimensiones de cada lecho. ........................................................................ 43

Tabla 3.15. Caudales de las corrientes de la columna C-001. ........................................ 44

Tabla 3.16. Parmetros fijados para el diseo de la columna con DSTWU................... 45

Tabla 3.17. Parmetros obtenidos en el diseo de la columna con DSTWU. ................ 45

Tabla 3.18. Parmetros fijados para el diseo de la columna con Radfrac. ................... 45

Tabla 3.19. Parmetros obtenidos en el diseo de la columna con Radfrac. ................. 47

Tabla 3.20. Principales propiedades del relleno estructurado INTALOX3T. ............. 48

Tabla 3.21. Resultados del relleno estructurado INTALOX3T. ................................. 49

Tabla 3.22. Caudales de las corrientes de la columna C-002. ........................................ 50

Tabla 3.23. Parmetros fijados para el diseo de la columna......................................... 51

Tabla 3.24. Parmetros obtenidos en el diseo de la columna con DSTWU. ................ 51

Tabla 3.25. Parmetros fijados para el diseo de la columna......................................... 51

Tabla 3.26. Parmetros obtenidos en el diseo de la columna. ...................................... 52


8/123

vii

Tabla 3.27. Principales propiedades del relleno estructurado INTALOX3T. ............. 53

Tabla 3.28. Resultados del relleno estructurado INTALOX3T. ................................. 53

Tabla 3.29.Caractersticas de la membrana de deshidratacin de PVA. ........................ 54

Tabla 3.30.Composicin de las corrientes de la membrana. .......................................... 55

Tabla 3.31.Caractersticas de la membrana en espiral M-001. ....................................... 55

Tabla 3.32.Medidas de los depsitos de reflujo. ............................................................ 56

Tabla 3.33. Parmetros y rea de intercambio de calor de los intercambiadores ........... 57

Tabla 3.34. Tipo y dimensiones de los intercambiadores. ............................................. 57

Tabla 3.35. Presiones de las bombas. ............................................................................. 58

Tabla 3.36. Potencia y tipo de las bombas. .................................................................... 58

Tabla 3.37. Presiones y radios de los equipos. ............................................................... 59

Tabla 3.38. Parmetros para el clculo del espesor. ....................................................... 60

Tabla 3.39. Espesores de los equipos. ............................................................................ 60

Tabla 3.40. Distancias recomendadas entre equipos. ..................................................... 69

Tabla 4.1. Propiedades de la corriente. ........................................................................... 71

Tabla 4.2. Valores de la legislacin. ............................................................................... 72

Tabla 5.1. Parmetros de capacidad y coste de base de los equipos. ............................. 76

Tabla 5.2. Factores de correccin y coste de los equipos. .............................................. 77

Tabla 5.3. Parmetros y coste de las diferentes partidas del inmovilizado. ................... 78

Tabla 5.4. Ingresos obtenidos por la venta de solketal. .................................................. 79

Tabla 5.5. Costes de fabricacin y gastos generales en M........................................... 80

Tabla 5.6. Nmero de trabajadores necesarios por turno y equipo. ............................... 81

Tabla 5.7. Partidas de los costes de fabricacin indirectos. ........................................... 81

Tabla 5.8. Coste de los servicios utilizados en el proceso. ............................................. 82

Tabla 5.9. Partidas de los gastos generales. .................................................................... 83

Tabla 5.10. Flujo de caja y flujo de caja acumulado en M........................................... 84

Tabla 5.11. Parmetros del estudio de la rentabilidad. ................................................... 84


9/123

viii

NDICE DE FIGURAS

Figura 1.1. Esquema del mercado del solketal. ................................................................ 2

Figura 2.1. Estructura molecular del solketal. .................................................................. 3

Figura 2.2. Posibles alternativas de compuestos producidos a partir de glicerol. ............ 6

Figura 2.3. Compuestos aptos para su uso como aditivos oxigenantes de combustiblesobtenidos a partir de glicerol. ........................................................................................... 7

Figura 2.4. Esquemas de la produccin de MTBE, ETBE y TAME. ............................... 8

Figura 2.5. Estructura del glicerol. ................................................................................. 10

Figura 2.6. Aplicaciones del glicerol. ............................................................................. 11

Figura 2.7. Principales vas de produccin de glicerol en el mundo en 1999 y 2009 .... 12

Figura 2.8. Tipos de gliceroles o glicerinas comerciales. ............................................... 12

Figura 2.9. Produccin de glicerol y su proyeccin en el mundo. ................................. 13

Figura 2.10. Estructura de la acetona. ............................................................................ 14

Figura 2.11. Principales vas de obtencin de la acetona. .............................................. 14

Figura 2.12. Produccin y demanda mundial del biodisel y sus proyecciones. ........... 15

Figura 2.13. Produccin y demanda europea del biodisel y sus proyecciones. ............ 16

Figura 2.14. Produccin y demanda en Espaa del biodisel y sus proyecciones. ........ 17

Figura 2.15. Consumo de MTBE en el mundo y su proyeccin. ................................... 18

Figura 2.16. Consumo de ETBE en el mundo y su proyeccin...................................... 18

Figura 2.17. Situacin de ETBE en Espaa y su proyeccin. ........................................ 19

Figura 2.18. Precio del glicerol y la acetona y su proyeccin europea. ......................... 20

Figura 3.1. Reaccin de quetalizacin de glicerol. ......................................................... 23

Figura 3.2. Solketal (2,2-dimetil-1,3-dioxolan-4-metanol) y 2,2-dimetil-1,3-dioxan-5-ol......................................................................................................................................... 23

Figura 3.3. Mecanismo de reaccin de la quetalizacin del glicerol. ............................. 25

Figura 3.4. Constante de equilibrio de la reaccin en funcin de la temperatura. ......... 26

Figura 3.5. Conversin obtenida en funcin de la etapa controlante. ............................ 28

Figura 3.6. Concentraciones de reactivos y productos en funcin del tiempo. .............. 31

Figura 3.7. Criterios para la seleccin del modelo termodinmico. ............................... 32

Figura 3.8. Grupos funcionales UNIFAC del solketal. .................................................. 33

Figura 3.9. Diagrama T-xy de la mezcla agua/etanol. .................................................... 33

Figura 3.10. Diagrama de bloques del proceso. ............................................................. 34

Figura 3.11. Modos de operacin convencionales de reactores catalticos de lecho fijo.

........................................................................................................................................ 39


10/123

ix

Figura 3.12. Modelos de los reactores catalticos de lecho fijo. ..................................... 40

Figura 3.13. Conversin y temperatura en el reactor en funcin del tiempo. ................ 42

Figura 3.14. Volatilidades respecto al glicerol en una columna de 6 pisos tericos. ..... 45

Figura 3.15. Composicin de solketal en los pisos de la columna C-001. ..................... 46

Figura 3.16. Composicin de glicerol y solketal en las salidas de cola y lateralrespectivamente en funcin de la razn de reflujo. ........................................................ 46

Figura 3.17. Esquema de eleccin entre platos o relleno para un equipo de destilacin......................................................................................................................................... 47

Figura 3.18. Relleno estructurado INTALOX3T. ....................................................... 48

Figura 3.19. Volatilidades respecto del agua a largo de una columna de 14 pisos. ....... 51

Figura 3.20. Composicin de agua de cabeza en funcin de la razn de reflujo. .......... 52

Figura 5.1. Flujo de caja acumulado en el tiempo de vida del proyecto. ....................... 85

Figura 5.2.Variacin del VAN con respecto a la variacin de los parmetros msrelevantes. ....................................................................................................................... 87


11/123

x

LISTA DE SMBOLOS

Castellanos

A Acetona; Amortizacin

AF Acetona adsorbida

a Caudal molar de la alimentacin

del compuesto

am rea especfica

B Beneficio

C Capital; Coste del equipo

c Concentracin de entrada

c Concentracin de salida

CF Costes de fabricacin

Cp Calor especfico

E Eficiencia de la soldadura

Ea Energa de activacin

D Dimetro del reactor

d Caudal molar del destilado del

compuesto

De Difusividad

dp Dimetro de partcula

F Centro activo; Caudal molar

f Factor de correccin

Fp Parmetro de flujo

G Energa de Gibbs

g Aceleracin de la gravedad [9,81

m s-2]

GF Glicerina adsorbida

H Hemiacetal; Entalpa

h Altura

HA Hemiacetal adsorbido

I Intermedio de reaccin;

Inmovilizado

IF Intermedio adsorbido

K Constante de equilibrio

k Constante de velocidad

kL Coeficiente de transferencia de

materia

L Caudal de lquido

m Caudal msico

M Exponente de coste del equipo

MO Mano de obra directa

NA Flujo de transferencia de materia

P Presin

PM Peso molecular

Q Tamao del equipo

R Residuo; Velocidad de reaccin

del compuesto; Valor residual

r Velocidad de reaccin; Caudal

molar del residuo del compuesto


12/123

xi

S Solketal; Entropa; Esfuerzo

mximo admisible

s Caudal molar de la corriente

lateral del compuesto

T Temperatura

t Tiempo de vida de la planta

U Impuestos sobre sociedades

u Velocidad

u0 Velocidad en vacoV Volumen; Ventas

x Proporcin molar de lquido

y Proporcin molar de vapor

W Agua; Peso de catalizador

WF Agua adsorbida

Griegos

Factor de asociacin;

Selectividad

Incremento

Porosidad

Viscosidad

Densidad

Subndices

AS Acetona en la superficie

B Lecho; Base

C Concentracin

D Diseo

E Real

e Entrada

G Glicerina

L Lquido

M Material

max Mxima

mn Mnimo

np Neto porcentual

op Operacin

P Presin

R Reaccin; Residuo

S Solketal

s Salida; Salida lateral

SV Solvente

T Temperatura

V Vapor

W Adsorcin; Catalizador

0 Inicial

Superndices

0 Estado estndar


13/123

xii

LISTA DE ABREVIATURAS

AC Acero al Carbono

ACGIH American Conference of Governmental Industrial Hygienists

Conferencia Americana de Higienistas Industriales Gubernamentales

AEPT Altura Equivalente de Piso Terico

AI Acero Inoxidable

AR Agua de Refrigeracin

AT Aceite Trmico

BEI Biodefense and Emerging Infections Biodefensa e Infecciones

Emergentes

CEPCI Chemical Engineering Plant Cost Index ndice de coste de planta de

ingeniera qumica

COV Compuesto Orgnico Voltil

DBO Demanda Biolgica de Oxgeno

DFG Deutsche Forschungs-Gemeinschaft Fundacin Alemana para la

Investigacin

DQO Demanda Qumica de Oxgeno

EPP Equipo de Proteccin Personal

Gr Grado

IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry Unin

Internacional de Qumica Pura y Aplicada

LEP UE Valor lmite de exposicin profesional en la Unin Europea

MAK Maximale Arbeitsplatz-Konzentration Concentracin mxima

permisible

RQ Reaccin Qumica

STEL Short-Term Exposure LimitLmite de exposicin a corto plazo

TIR Tasa Interna de Retorno


14/123

xiii

TLV Threshold Limit ValueValor umbral de exposicin para el trabajador

TM Transferencia de Materia

TWA Time Weighted AverageValor de exposicin durante un turno de ochohoras

VAN Valor Actual Neto

VBP Vapor de Baja Presin


15/123

xiv

ABSTRACT

A continuous-flow process has been designed to obtain solketal, an oxygenated

fuel additive that could be a great option for the byproduct of the biodiesel industry,

glycerol, which can be converted into a high value-added compound.

The market research indicates Castellon harbor in Castellon (Spain) as excellent

location for a solketal production plant with a capacity of 50 kton per year. The price of

solketal was fixed at the price of MTBE, 1.14 kg-1.

A process based on the condensation of glycerol with acetone using ethanol as

cosolvent and a heterogeneous acid catalyst, resin Amberlyst-36, was developed. At

optimum conditions (temperature of 25 C, acetone/glycerol molar ratio of 4 and weighthour space velocity of 2 h-1) a maximum yield (94 %) was obtained. In this reaction,

water is also produced and the catalyst is reversibly deactivated by this compound.

The use of excess acetone and ethanol solvent makes a separation step necessary

after the reaction step to recirculate the unreacted acetone and the ethanol, but

previously, this stream needed to be dehydrated to reduce catalyst deactivation and

avoid water build-up. Therefore, the process was divided into three steps: reaction,

separation and dehydration.

In the reaction step, due to the reaction exothermicity, four serial fixed bed

reactors with intermediate cooling have been designed. The diameters of this equipment

are from 90 cm to 1.50 m and their lengths, from 4.35m to 7.85 m. In total, 49tons of

catalyst were needed.

In the separation step, using a six-stage packed distillation column, it was

possible to obtain an intermediate stream of solketal with the required specification (98

% in mass) plus a glycerol stream to be recirculated from the bottom and a stream

formed by acetone, ethanol and water from the top. Column measurements are: 1.59 m

diameter and 7.44 m length.

For the last step, dehydration, two installations were needed because of the

existing water-ethanol azeotrope. The first one is a fourteen-stage distillation packed

column, with a 1.33 m diameter and a 10.84 m length, which approaches the mixture to

the azeotrope from the top and removes water from the bottom. After that, a

pervaporation membrane was designed: six modules (0.57 m diameter and 1 m length


16/123

xv

each one) to eliminate the water from the mixture completely, which can be finally

recycled.

Besides, the process required two reflux drums, fourteen heat exchangers and

seven pumps, which were designed in a preliminary stage.

Moreover, equipment was mechanically designed and a Piping and Instrument

Diagram and a plot plan were developed.

In terms of environmental impact, two main issues have to be considered: (1) a

50.5 L h-1 water stream contaminated by acetone, ethanol and solketal and (2) the

deactivated catalyst.

Finally, the plant was economically analyzed. Investment was estimated at 17.8

M for this project battery limits and 2.1 M for off sites.Production costs were valued

at 1.05 kgsolketal-1for manufacturing and 0.05kgsolketal

-1for overheads.

Percentage net return was calculated at 22.9 % and recovery period at four years.

Fixing the return rate in 20 % because of the new technological process and new

product, net present value is 1.2 M.


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Captulo 1

1.INTRODUCCIN Y OBJETIVOS

Debido al aumento de la preocupacin por el medio ambiente y la seguridad

energtica asociada al uso de combustibles basados en el petrleo, en la ltima dcada

se ha intensificado el inters en la produccin de biocombustibles (bioetanol y

biodisel). [1]

La produccin de biodisel ha aumentado de forma exponencial en todo el

mundo. Durante su produccin, el glicerol es un subproducto y una posible

responsabilidad financiera y medioambiental, para lo cual las instalaciones que operan

en la actualidad se enfrentan con opciones limitadas. [2]

Se prev que en 2020 la produccin mundial de glicerol sea de 2,5 Mt. Los

productores de gran escala son capaces de refinar este tipo de residuos para aplicaciones

industriales, mientras que los productores de pequea escala no pueden justificar los

costos de refinacin y en su lugar tienen que pagar una cuota para la eliminacin del

subproducto. El precio de glicerol en bruto actual es tan bajo como 170 t-1 pero a

menudo el productor de biodisel tambin es responsable de los costos de transporte,

con lo que se puede igualar o superar fcilmente el valor del glicerol crudo. [1, 3, 4]

La generacin prevista de esta gran cantidad de glicerol podr reducir an ms

su precio, una vez que entra en el mercado. Por lo tanto, se requiere la utilizacin

adecuada de glicerol en diferentes aplicaciones de alto valor aadido para la

sostenibilidad de la industria del biodisel.

La presencia de tres grupos hidroxilo en el glicerol lo hace inadecuado para ser

utilizado como un aditivo de combustible directo debido al bajo valor de su calor de

combustin. Se han estudiado varios procesos para la conversin de glicerol en aditivos

de combustible. La condensacin de glicerol con aldehdos y cetonas a acetales y cetales

cclicos, respectivamente, a menudo se considera una de las aplicaciones ms

prometedoras de glicerol para combustibles e intermedios qumicos. [1]


18/123

2

En la reaccin de quetalizacin entre el glicerol y acetona se forma solketal (2,2-

dimetil-1,3-dioxolano-4-metanol) como producto de condensacin en presencia de un

catalizador cido. El solketal se puede utilizar como un aditivo de combustible para

reducir la emisin de partculas y para mejorar las propiedades de flujo en fro de los

combustibles de transporte de lquidos y como intermedio para la produccin de STBE

(solketal terc-butil-ter), un compuesto que tambin se puede utilizar como aditivo de

combustibles. [1, 5]

Actualmente, los principales aditivos de combustibles son el MTBE, el ETBE y

el TAME, por lo que el solketal y el STBE debern competir con stos en cuanto a

propiedades y precio. En la Figura 1.1 se esquematiza el mercado del solketal. [2]

Industria delbiodiesel

Glicerol Biodisel

SolketalAditivos

oxigenados

MTBE ETBESTBE

Disel Gasolina

TAME

Figura 1.1. Esquema del mercado del solketal.

Una vez obtenida la termodinmica y la cintica, el objetivo principal de este

trabajo es investigar y desarrollar un proceso en continuo para la produccin industrial

de solketal a partir de glicerol. [1]


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Captulo 2

2.ESTUDIO DE VIABILIDAD

2.1. DEFINICIN,PROPIEDADES Y APLICACIONES DEL SOLKETAL

2.1.1. Definicin

La nomenclatura IUPAC del solketal es 2,2-dimetil-1,3-dioxolano-4-metanol,aunque tambin se le conoce como isopropilidenglicerol o glicerolacetona. Su nmero

de CAS es el 100-79-8. Su estructura molecular se representa en la Figura 2.1. [6]

Figura 2.1. Estructura molecular del solketal.

El solketal es una forma protegida del glicerol, se trata de un grupo acetal

dioxano cclico formado por la unin de dos grupos hidroxilo que puede ser sintetizado

a partir de la condensacin de glicerol y acetona en presencia de un catalizador cido.

La molcula contiene un centro quiral en el carbono central del glicerol y se

puede adquirir ya sea como el racemato o como uno de los dos enantimeros.

El glicerol en su forma natural sin proteccin es un lquido viscoso pero el uso

de un grupo acetal como "protector" para formar un aldehdo o una cetona implica que

dos de sus grupos alcoholes se conviertan en teres, lo que reduce la polaridad la

molcula y por tanto su viscosidad aunque mantiene un grupo alcohol adicional quetodava queda expuesto, por lo que sigue conservando una cierta polaridad.


20/123

4

Dado que el glicerol es capaz de formar un acetal cclico, se necesita entonces

elegir una cetona o aldehdo apropiado. En este caso, para formar el solketal, se elige la

acetona, debido principalmente a su alta disponibilidad y bajo coste. [7]

2.1.2. Propiedades y aplicaciones

A temperatura ambiente, el solketal es un lquido claro, incoloro, prcticamente

inodoro y soluble en agua. En la Tabla 2.1 se reflejan sus propiedades ms importantes.

Tabla 2.1. Principales propiedades del solketal. [6]

Propiedad, unidad ValorPeso molecular 132,16Densidad, g cm- 1,1707Temperatura de ebullicin, C 188-189Temperatura de fusin, C -26,4Viscosidad, cP @ 20 C 11Solubilidad en agua Miscible

En comparacin, el glicerol tiene un punto de ebullicin de 290 C, una

densidad de 1,26 g cm-3, una viscosidad de 1.410 cP y un punto de inflamacin de 199

C. Debido a su naturaleza altamente viscosa y polar, el glicerol, en su forma natural, no

es compatible con la mayora de los motores de combustin interna y, en general, no es

particularmente til para la industria qumica. [8]

Sin embargo, el solketal puede proporcionar una ruta para los productores de

biodisel para transformar su glicerol residual en un producto orgnico ms voltil y

menos viscoso. Estas propiedades pueden permitir la mezcla a gran escala del solketal o

sus derivados con el biodisel final como aditivo para el combustible.

El solketal tiene, por tanto, una mayor volatilidad y una viscosidad mucho

menor (inferior en un factor de 128) por lo que este producto derivado de glicerol podra

ser utilizado como un sustituto o aditivo de combustible. Adems, el carcter oxigenado

del solketal puede conducir a una combustin ms completa en un motor, ya que se

quema fcilmente, produciendo una llama azul sin humo.


21/123

5

El solketal tambin se ha utilizado en la sntesis de mono-, di-y tri- glicridos

por la formacin de enlaces ster y es til como disolvente y plastificante. [7]

2.2. VALORIZACIN DEL GLICEROL

Debido al apoyo recibido en los pases ms desarrollados, ha habido un aumento

reciente en la produccin de biodisel. Una de las mayores preocupaciones respecto a la

produccin de biodisel es la de su principal subproducto, el glicerol. En general, la

produccin de biodisel genera un 10 % en peso de glicerol en bruto. [2, 4]

Actualmente, la mayora del glicerol se utiliza directamente y sin modificacin

qumica adicional. Sin embargo, el mercado slo admite una cierta cantidad de glicerol

y no puede absorber completamente la cantidad generada en la produccin de biodisel,

por lo que se ha creado la necesidad de convertir rpidamente grandes cantidades de

glicerol en productos tiles. Para ayudar a que las plantas de biodisel sean ms

rentables, es conveniente convertir el glicerol en una sustancia qumica con un precio

ms alto y que tenga (o pueda tener) un gran mercado.

Tradicionalmente, la modificacin qumica adicional del glicerol ha implicado la

esterificacin selectiva con cidos grasos para producir steres de glicerol y de

poliglicerol que pueden ser utilizados como emulsionantes de alimentos (por ejemplo,

monooleato de glicerol), cosmticos o tensioactivos no inicos que se pueden utilizar

como detergentes.

Sin embargo, como el precio del glicerol disminuye, se pueden producir

econmicamente otros productos qumicos. En general, la conversin de glicerol

(Figura 2.2) se lograr por dos vas: (1) oxidacin, reduccin, deshidratacin e

hidrocloracin del glicerol en otros compuestos de tres carbonos o (2) su combinacin

con otras molculas para formar nuevas especies a partir de reacciones como la

policondensacin, acetilacin, carboxilacin, esterificacin, eterificacin y pirlisis. [2]

Como primer paso, es necesario elegir un producto que tenga un mercado lo

suficientemente grande como para absorber grandes cantidades de glicerol y con un

valor ms elevado que ste. [9]

La produccin de teres de glicerol, steres, cetales y acetales como el solketal

es de gran inters, debido a que algunos de estos compuestos tienen potencial como


22/123

6

Figura 2.2. Posibles alternativas de compuestos producidos a partir de glicerol. [10]

(Solketal)


23/123

7

aditivos de combustible. La terc-butilacin del glicerol proporciona los teres de terc-

butil-glicerol (GTBEs), que han sido mezclados con el biodisel para mejorar sus

propiedades. La triacetina, el triacetato del glicerol, mejora las propiedades de flujo en

fro de biodisel. [2]

Por tanto, una de estas posibles ventanas de mercado que actualmente se estn

estudiando es la formacin, a partir de glicerol, de aditivos oxigenantes para la mejora

de algunas propiedades de los combustibles fsiles y biocombustibles (Figura 2.3).

Glicerina

GTBEs SolketalTriacetina

Figura 2.3. Compuestos aptos para su uso como aditivos oxigenantes de combustibles

obtenidos a partir de glicerol.

2.3. ADITIVOS OXIGENADOS DE LOS COMBUSTIBLES

Las crisis peridicas del petrleo, las cuestiones ambientales, y la optimizacin

del consumo de energa trajeron en consideracin a los compuestos oxigenados como

aditivos de combustibles con el papel de aumentar su octanaje y mejorar la combustin

de modo que fuera ms limpia y generara menos gases de escape perjudiciales.

Durante muchos aos, el metil terc-butil-ter (MTBE) fue el principal

compuesto oxigenado aadido a la gasolina. Sin embargo, debido a las preocupaciones

ambientales y de salud, se ha ido retirando paulatinamente desde principios de este

siglo, abriendo una oportunidad para sus sustitutos, en especial procedentes de fuentes

renovables. Este nuevo mercado ha sido ocupado por el metil terc-amil-ter (TAME) y,

sobre todo, por el etil terc-butil-ter (ETBE), que se obtiene a partir de etanol producido

a partir de la fermentacin de hidratos de carbono, aunque existe la preocupacin de si

este alcohol se puede producir de manera sostenible y econmica. (Figura 2.4). [9]


24/123

8

Figura 2.4. Esquemas de la produccin de MTBE, ETBE y TAME. [9]

La produccin industrial de estos teres ha crecido de manera impresionante:

desde 50 kt ao-1 a inicios de los aos setenta hasta alrededor de 30 Mt ao -1 en la

actualidad. [9]En este mercado, por tanto, se acaba de abrir una nueva oportunidad en el que

los derivados del glicerol pueden ser competitivos en cuanto a eficacia y a rentabilidad.

Se ha estudiado la adicin de solketal a la gasolina, deducindose que mejora el

octanaje en ms de dos unidades y reduce la formacin de gomas, lo que indica un

potencial de propiedades antioxidantes, especialmente en gasolinas producidas a partir

de craqueo cataltico. [11]

El solketal terc-butilter (STBE) es un derivado del solketal que tambin puede

ser utilizado como un aditivo potente para el biodisel. Las pruebas de motor han

demostrado su eficacia como aditivo del combustible oxigenado. El STBE puede

sintetizarse a partir del solketal mediante una eterificacin con isobuteno. Por tanto, el

solketal tambin es un compuesto interesante como intermedio de reaccin. [5]


25/123

9

2.4. LA SNTESIS DEL SOLKETAL

La sntesis del solketal, debido a que el inters por l es reciente, slo ha sido

desarrollada a nivel de laboratorio y no existe en la actualidad una tecnologa industrial

instalada para su produccin. nicamente se han realizado varios estudios, que debern

ser extrapolados primero a una planta piloto y, posteriormente, a escala industrial con su

necesaria adaptacin.

En estos estudios la nica va de obtencin a partir del glicerol es su reaccin de

quetalizacin basada en la reaccin de acetona con glicerol y que se puede realizar de

varas formas segn los estudios realizados:

Con catalizadores cidos homogneos:

Convencionalmente, la quetalizacin de glicerol con acetona se ha realizado en

reactores discontinuos en fase lquida homognea catalizada por cidos fuertes de

Bronsted tales como, cido sulfrico, cido clorhdrico, cido fosfrico o cido p-

toluensulfnico, donde la corrosin, la separacin del producto y eliminacin de

efluentes tienen un coste elevado y altas cargas ambientales. [1]

Con acetona en condiciones supercrticas:

La aplicacin de fluidos supercrticos en la sntesis qumica se explora para

llevar a cabo las reacciones para obtener el acetal cclico. La sntesis de solketal en

acetona supercrtica es posible debido al efecto cataltico de la fuerza cida del

hidrgeno alfa de la acetona en la fase gas. A temperaturas cercanas y por encima de la

temperatura crtica de la acetona (508 K), la reaccin es muy rpida. Sus resultadosmuestran que el trabajo con acetona supercrtica como solvente, reactivo y catalizador

es una alternativa interesante para la sntesis orgnica. [12]

Con catalizadores cidos heterogneos:

Se ha investigado la actividad cataltica y la estabilidad de varios catalizadores

cidos en diferentes condiciones de reaccin. Entre todos los catalizadores cidos


26/123

10

slidos probados, el uso de Amberlyst a 25 C, con un exceso de 4:1 de acetona y

utilizando etanol como disolvente, produjo el mximo rendimiento. [1, 13]

Se han llevado a cabo los estudios termodinmicos y cinticos para la sntesis de

solketal en fase lquida en un reactor discontinuo en presencia de un catalizador cido(Amberlyst-36). El modelo de Langmuir-Hinshelwood demostr ser til para describir

el mecanismo cintico de la reaccin de quetalizacin de glicerol con acetona. El

estudio futuro de este proyecto incluye el desarrollo de un reactor continuo para la

sntesis de solketal a partir de glicerol, tanto puro como crudo utilizando los conceptos

termodinmicos y cinticos, donde el reciclaje (recuperacin y reutilizacin) de

reactivos que no han reaccionado se podra considerar como una ventaja aadida. [1]

2.5. ESTUDIO DE LAS MATERIAS PRIMAS

2.5.1. Glicerol

El glicerol [56-81-5] (Figura 2.5), C3H8O3, 1,2,3-propanotriol, comnmente

conocido como glicerina, es el ms simple de los trioles. Es soluble en agua, inodoro e

incoloro, tiene un cierto dulzor, absorbe y retiene el agua, tiene una capacidad para

disolver sabores y colorantes, tiene propiedades plastificantes, protege contra los

procesos de fermentacin, tiene propiedades antioxidantes, no es txico y es fcilmente

biodegradable Se puede encontrar en todas las grasas y aceites naturales como steres

grasos y es un intermedio importante en el metabolismo de los organismos vivos. [8]

Figura 2.5. Estructura del glicerol.

En la Tabla 2.2 se muestran las propiedades ms importantes del glicerol. Hoy

en da, el glicerol tiene ms de 2.000 aplicaciones diferentes que surgen de suspropiedades. Sus principales aplicaciones se muestran en la Figura 2.6.


27/123

11

Tabla 2.2. Principales propiedades del glicerol. [8]

Propiedad, unidad ValorPeso molecular 92,09Densidad, g cm-3 1,261

Temperatura de fusin, C 18,0Temperatura de ebullicin, C 290,0Viscosidad, cP @ 20 C 1410

Figura 2.6. Aplicaciones del glicerol. [8]

El glicerol se obtiene como subproducto en la conversin de grasas y aceites de

cidos grasos o de cidos grasos de steres metlicos. Este tipo de glicerol se conoce

como glicerol natural, en contraste con el glicerol sinttico obtenido a partir de propeno.

Otros mtodos de produccin (por ejemplo, fermentacin de azcar o hidrogenacin de

hidratos de carbono) no son industrialmente importantes (Figura 2.7). [8, 14]

El mayor crecimiento de la fuente de glicerol, sobre todo en Europa, es a partir

de la produccin de biodisel, convirtindose en la primera fuente de produccin de

glicerol en la actualidad. Esto se debe al impulso del biodisel por parte de los pases

europeos. [14]

Farmacia13%

Cosmticos20%

Explosivos1%

Resinas6%Otros

11%Tabaco

8%

Alimentos25%

Celofn2%

Plsticos14%

Usos del glicerol


28/123

12

Figura 2.7. Principales vas de produccin de glicerol en el mundo en 1999 y 2009. [14]

Comercialmente se pueden encontrar tres tipos principales de glicerol en funcin

de su grado de pureza: glicerol crudo, glicerol grado tcnico y glicerol refinado (grado

USP o FCC). La Figura 2.8 presenta los tres tipos y el tipo de aplicaciones para las

cuales son efectivas y la Tabla 2.3 resume las principales especificaciones de calidad y

los umbrales para los contaminantes presentes en estos gliceroles. [15]

Figura 2.8. Tipos de gliceroles o glicerinas comerciales. [15]

El mayor productor de glicerol es Europa. La Figura 2.9 muestra la produccin

de glicerol por continentes. En el ao 2013 la produccin europea fue de unos 1.090 kt

y se estima que alcance los 1.250 kt en 2020. Esto se debe a la alta demanda de

biodisel que se proyecta para 2020. [4, 16]

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80%

Industria del biodiesel

cidos grasos

Industria jabonera

Alcoholes

Produccin sinttica

Otros

Vas de produccin de glicerol

1999

2009


29/123

13

Tabla 2.3. Principales especificaciones de los tipos de glicerol comercial. [15]

PropiedadesGlicerolcrudo

Glicerolgrado tcnico

Glicerolrefinado

Contenido de glicerol 40 % - 88 % 98 % mn. 99,70 %

Ceniza 2 % mx. NA NAContenido de humedad NA 2 % mx. 0,3 % mx.Residuos orgnicos 2 % mx. 2 % mx. NAGravedad especfica NA 1,262 (@ 25 C) 1,2612 mn.Sulfato NA NA 20 ppm mx.Metales pesados NA 5 ppm mx. 5 ppm mx.Componentes clorados NA 30 ppm mx. 30 ppm mx.cidos grasos y steres NA 1 mx. 1.000 mx.pH (solucin 10 %) 4-9 4-9,1 NAPrecio 350 (80 %) 560 610

Figura 2.9. Produccin de glicerol y su proyeccin en el mundo. [4, 16]

2.5.2.

Acetona

La acetona [67-64-1], (Figura 2.10), 2-propanona, dimetilcetona, CH3COCH3, es

la primera y ms importante de la serie homloga de cetonas alifticas. Es un lquido

incoloro, mvil ampliamente utilizado como disolvente para varios polmeros. [8]

Las principales propiedades de la acetona se muestran en la Tabla 2.4. Su

estabilidad qumica disminuye significativamente en presencia de agua. La acetona

puede reaccionar violentamente y, a veces de forma explosiva, especialmente enrecipientes cerrados. [8]

0

500

1000

1500

2000

2500

P

roduccin,Kt

Produccin de glicerol en el mundo

frica

Asia

Amrica

Europa


30/123

14

Figura 2.10. Estructura de la acetona.

Tabla 2.4. Principales propiedades de la acetona. [8]

Propiedad, unidad ValorPeso molecular 58,08Densidad, g cm- 0,791Temperatura de fusin, C -94.7

Temperatura de ebullicin, C 56,2Viscosidad, cP @ 20 C 0,3075Punto de inflamacin, C 465

Aproximadamente, el 83 % de la acetona producida en todo el mundo est

fabricado como coproducto del fenol en la industria del cumeno. En Estados Unidos y

Europa Occidental la deshidrogenacin del 2-propanol tambin es importante, mientras

que en Japn, la oxidacin cataltica de propeno se usa en segundo lugar (Figura 2.11).

Figura 2.11. Principales vas de obtencin de la acetona. [8]

2-propanol8%

Propeno4%

Otros5%

Industria delcumeno

83%

Vas de obtencin de la acetona


31/123

15

El mayor productor de acetona es China, con aproximadamente unos 5,8 Mt en

2013 mientras que en Europa la produccin ese mismo ao fue de 5,5 Mt. La

proyeccin de la produccin da fundamentalmente un crecimiento en los pases

asiticos que en 2020 tendran una produccin de ms de 16 Mt. [17, 18]

2.6. ANLISIS DEL MERCADO

Puesto que la industria del biodisel es tanto el productor como el consumidor,

el estudio del mercado se debe hacer respecto a ste y al mercado competidor, formado

por los dems aditivos oxigenados utilizados en los combustibles; mientras que el

mercado distribuidor no tiene ningn inters para este proyecto. [19]

2.6.1. Anlisis de mercado del biodisel

Impulsado por los mandatos polticos y los objetivos de energas renovables en

todo el mundo, la produccin de biodisel mundial se prev que contine con el rpido

aumento durante el perodo de tiempo proyectado y que alcance unos 39 Mt en 2020

(Figura 2.12).

Figura 2.12. Produccin y demanda mundial del biodisel y sus proyecciones. [3]

05

101520

2530354045

Mt

Produccin y demanda mundial del biodisel y sus proyecciones

Produccin

Demanda


32/123

16

La Directiva de Energa Renovable, implementado por la Unin Europea

establece que la proporcin de fuentes de energa renovable debe aumentar en los

prximos aos. La demanda de biodisel en la Unin Europea se prev que aumente en

casi un 85 % durante el perodo de proyeccin y que alcance los 16 Mt en 2020. La

produccin nacional de biodisel debera aumentar al mismo ritmo que la demanda

(Figura 2.13). [3]

Figura 2.13. Produccin y demanda europea del biodisel y sus proyecciones. [3]

El consumo de los biocombustibles en Espaa ha experimentado un crecimiento

espectacular en los ltimos aos, al pasar de las 136 kt en el ao 2005 a 1,8 Mt en 2013,

lo que representa un incremento del 1.200 %. Dentro de los biocarburantes, el biodisel

representa el 85,5 % del total, con 1,5 Mt en 2013. Las proyecciones establecen que el

consumo del biodisel se duplicar en el periodo 2010-2020, ya que supondr pasar de

las 1,4 kt del 2010 a las 3,1 Mt al final de dcada (Figura 2.14).

Por tanto, se espera que la produccin del biodisel, tanto en Espaa, como en

Europa, aumente en los prximos aos y con ella la necesidad de buscar una salida al

glicerol producida ya que presenta un problema para los productores.

02468

10121416

18

Mt

Produccin y demanda europea del biodisel y sus proyecciones

Produccin

Demanda


33/123

17

Figura 2.14. Produccin y demanda en Espaa del biodisel y sus proyecciones. [3]

2.6.2. Anlisis de mercado de los aditivos oxigenados

El MTBE ha sido durante mucho tiempo el compuesto oxigenado ms utilizado

debido en gran parte a los aspectos econmicos favorables de una materia prima de

relativo bajo costo, el metanol. Sin embargo, a finales de 1990, el MTBE fue acusado de

causar impactos ambientales negativos por la contaminacin de los suministros de agua.Como resultado de ello, su uso en Japn ces en 2003, y en los Estados Unidos y

Canad en 2006. El consumo mundial alcanz su punto mximo en 2001, desde

entonces, ste ha descendido aunque en zonas como China, Oriente Medio, Venezuela y

Europa Oriental se ha visto aumentado (Figura 2.15). [20]

La principal alternativa al MTBE en los pases en los que se ha obligado a

reducir su consumo (los ms desarrollados) ha sido el ETBE, producido a partir de

etano, por lo que resulta ms caro, pero su eficacia es mayor ya que se requiereaproximadamente la mitad de la cantidad de aditivo para obtener el mismo nivel de

oxigenacin en la gasolina, por lo que le permite ser vendido como una mezcla

premium de mayor octanaje. [21]

En Europa, sobre todo la parte ms occidental, el consumo de MTBE ha

descendido hasta los 2,5 Mt en 2013 mientras que en cuanto al ETBE se ha visto

multiplicado por dos en cinco aos situndose en 10 Mt en 2013 (Figura 2.16).

0

1

2

3

4

Mt

Produccin y demanda en Espaa y su proyeccin del biodisel

Consumo

Demanda


34/123

18

Figura 2.15. Consumo de MTBE en el mundo y su proyeccin. [20, 22]

Figura 2.16. Consumo de ETBE en el mundo y su proyeccin. [21, 22]

2.6.3. Anlisis del consumo aparente en Espaa

Segn lo estudiado anteriormente, el principal competidor para el solketal como

aditivo oxigenado ser el ETBE, con el que deber competir en precio y en eficacia.

Al no existir produccin del compuesto en Espaa, no existe un consumo

aparente definido pero se puede establecer una tendencia de aumento en la necesidad de

los compuestos oxigenados como aditivos de los combustibles ya sea para el biodiselcomo para la gasolina.

0

5

10

15

20

25

Consumo

,Mt

Consumo de MTBE mundial

Asia

Oriente Medio

Amrica del Sur

Europa

EE.UU.

Proyeccin

0

20

40

60

80

100

120

Consumo,Mt

Consumo de ETBE mundial

Resto del mundo

Europa

EE.UU.Brasil


35/123

19

En la Figura 2.17 se representa la situacin del ETBE en Espaa. Se proyecta un

aumento en el consumo lo que conllevar a un aumento en la demanda. Existe por tanto

una puerta abierta para la insercin del solketal en este mercado. La demanda

insatisfecha media proyectada para los siguientes aos es de aproximadamente 50 kt

anuales.

Figura 2.17. Situacin de ETBE en Espaa y su proyeccin. [21, 22]

2.7. PRECIO DEL SOLKETAL

En la Figura 2.18 se representa la evolucin de los precios del glicerol y la

acetona y sus proyecciones. El precio del glicerol refinado ha disminuido desde 1.500

t-1en 1995 hasta 650 t-1 en la actualidad. Su proyeccin es un ligero aumento hasta

situarse en los 700 t-1 en 2020. El precio actual de la acetona es de 920 t-1 y se espera

que crezca ligeramente hasta los 980 t-1 en 2020. [3, 17, 18]

El anlisis econmico es uno de los factores clave para la produccin industrial

de solketal. La Tabla 2.5 muestra el precio de mercado para los diferentes productos

qumicos necesarios para la produccin de 1 kg de solketal. El coste operacional no se

considera durante la estimacin de costes, pero se espera que sean bajo condiciones de

operacin suaves y flujo continuo. Si el catalizador puede reutilizarse y el etanol se

puede considerar que por ciclo de operacin se pierde un 10 % en peso.

0

200

400

600

800

1000

1200

ETBE,Mt

ETBE en Espaa

Importaciones

Produccin

Consumo


36/123

20

Figura 2.18. Precio del glicerol y la acetona y su proyeccin europea. [3, 17, 18]

Tabla 2.5. Anlisis econmico de la produccin de 1 kg de solketal. [13]

Precio kg-1 Cantidad, kg Coste, Acetona 0,92 0,46 0,42Glicerol 0,65 0,71 0,46Etanol 1 0,01 0,01Total 0,89

A partir de la Tabla 2.5 el coste de produccin de solketal es de 0,89 kg-1. El

precio del solketal debe suponer una alternativa al metil tercbutilter (MTBE) que se

utiliza actualmente en el mercado como aditivo de combustible a un precio de mercado

de 1,14 kg-1, por lo que el beneficio marginal es de aproximadamente 0,25 kg-1del

producto solketal sin tener en cuenta los costes de produccin. [13]

2.8. SELECCIN DE LA LOCALIZACIN

El anlisis del consumo aparente en Espaa muestra a este pas como una opcin

ideal para la localizacin de una planta de produccin de solketal. sta, debe estar

situada cerca de una industria de produccin de biodisel con la suficiente capacidad

anual para poder abastecerse de glicerol y con suficientes infraestructuras de transporte.

0200400600800

10001200

1400160018002000

Precio,

/t

Precio de la acetona y del glicerol refinado

Precio acetonaProyeccin acetonaPrecio glicerolProyeccion glicerol


37/123

21

La planta de Infinita Renovables de Castelln, se encuentra emplazada en la

nueva Drsena Sur del Puerto de Castelln, su capacidad de produccin es de 600 kt

anuales, que la convierte en la planta de produccin de biodisel ms grande de Europa

y, por tanto, produce unas 60 kt anuales de glicerol. Mientras que la acetona se adquiere

de la distribuidora Villarn Qumica, S.A. situada en Paterna, Valencia. [23, 24]

Por tanto la localizacin de esta planta es el puerto de Castelln, localidad El

Grao de Castelln de la provincia de Castelln de la Plana donde, adems, se cuenta con

una gran infraestructura de transportes: barco, carretera y tren con la construccin del

futuro corredor de mercancas europeo del Mediterrneo.

2.9. DEFINICIN DEL TAMAO DE LA PLANTA

La definicin del tamao est basada en la proyeccin de la demanda

insatisfecha en el mercado de los aditivos oxigenados y en la necesidad de la planta de

produccin de biodisel de buscarle una salida a la cantidad de glicerol producida.

Adems, se compara con las producciones de ETBE y MTBE en Espaa (Tabla 2.6).

Tabla 2.6. Capacidades de los productores de ETBE y MTBE en Espaa. [21]

Localizacin Producto Capacidad, ktTarragona ETBE 148Algeciras MTBE/ETBE 75Puertollano ETBE 69Bilbao ETBE 66Huelva MTBE/ETBE 55La Corua ETBE 53

La capacidad elegida es de 50 kt ao-1 de solketal. Para la obtencin de esta

cantidad son necesarias 33,5 kt de glicerol refinada y 22,5 kt de acetona.


38/123

Captulo 3

3.MEMORIA TCNICA

3.1. LMITES DE BATERA

Las composiciones de las corrientes de entrada de glicerol, acetona y etanol al

proceso se muestran en la Tabla 3.1. La corriente de glicerol est formada por glicerol

refinado que contiene como impureza agua, mientras que las corrientes de etanol yacetona estn impurificadas, adems de agua, por metanol. Las especificaciones para la

composicin de la corriente del solketal producto se muestran en la Tabla 3.2.

El caudal molar de entrada de glicerol al reactor se calcula a partir de la

Ecuacin 3.1. Dado que la produccin de solketal prevista es de 50 kt ao -1se alimentan

49,30 kmol h-1de glicerol; de acetona, un exceso en proporcin molar 4:1, 197,21 kmol

h-1. Por ltimo, se introduce etanol para favorecer la solubilidad del glicerol en acetona,

con el mismo caudal molar que el glicerol, 49,30 kmol h-1. El caudal de las corrientes en

peso teniendo en cuenta las purezas est reflejado en la Tabla 3.1.

Tabla 3.1. Composiciones y caudales en masa de las corrientes de entrada.

Glicerol [15] Acetona [25] Etanol [26]% Glicerol 99,7 % Acetona 99,6 % Etanol 99,6

% Agua 0,3 % Agua 0,3 % Agua 0,1% Metanol - % Metanol 0,1 % Metanol 0,3Caudal, t h-1 4,55 Caudal, t h-1 11,49 Caudal, t h-1 2,28

Tabla 3.2. Composicin y caudal en masa de la corriente de solketal producto.

Solketal [27]% Solketal 98

% Glicerol1,2

% Otros 0,8Caudal, t h-1 6,27


39/123

23

[3.1]

3.2. ESTUDIO DE LA REACCIN

La reaccin que se produce es la quetalizacin del glicerol con acetona (Figura

3.1) donde se forma el solketal como producto de la condensacin en presencia de un

catalizador cido y como subproducto, el agua. Los coeficientes estequiomtricos, tanto

de los productos como de los reactivos, son la unidad. [1]

Figura 3.1. Reaccin de quetalizacin de glicerol.

En la misma reaccin se obtiene una pequea cantidad de 2,2-dimetil-1,3-

dioxan-5-ol que se comercializa junto con el solketal al tratarse de un compuesto de

propiedades similares (Figura 3.2). [1]

Figura 3.2. Solketal (2,2-dimetil-1,3-dioxolan-4-metanol) y 2,2-dimetil-1,3-dioxan-5-ol.


40/123

24

3.2.1. Catalizador y mecanismo de reaccin

El catalizador utilizado, Amberlyst-36, es una resina sulfnica inica, cida,

slida y esfrica. Sus principales caractersticas se enumeran en la Tabla 3.3. [28]

Tabla 3.3. Principales propiedades del catalizador Amberlyst-36. [28]

Propiedad, unidad ValorDensidad aparente, g cm- 0,8Tamao medio, mm 0,600 - 0,850Porosidad 0,4

Superficie BET, m2 g-1 35Volumen de poro, cm3g-1 0,28Tamao de poro, nm 16,8Acidez, eq g- 5,5Temperatura mxima de operacin, C 150Prdida de presin mxima, bar 1

Considerando los mecanismos propuestos para la sntesis de un acetal enpresencia de un catalizador homogneo [29] y el propuesto por Maksimov et al. [30]

para la sntesis de cetales de dioles derivados de plantas, se propone un mecanismo

similar para la quetalizacin de glicerol sobre un catalizador heterogneo tal como se

ilustra en la Figura 3.3.

Las etapas ms importantes en este mecanismo son [1]:

i) La reaccin superficial entre la acetona (AF) y glicerol (GF) adsorbidos para dar el

hemi-acetal adsorbido (HF) y un centro activo vaco (F) (etapa 1).

AF + GF F + HF

ii) La reaccin superficial para formar agua absorbida (WF) y un intermedio adsorbido

(IF) (etapa 2).

HF + F IF + WF

iii)La reaccin para formar solketal adsorbido (SF) (etapa 3).

IF S +F


41/123

25

Figura 3.3. Mecanismo de reaccin de la quetalizacin del glicerol.

3.2.2. Anlisis termodinmico

Se trata de una reaccin de equilibrio por lo que se debe analizar los distintos

aspectos termodinmicos que favorezcan la formacin de los productos. Los principales

son: la temperatura, la presin, la relacin de reaccionantes y el uso de disolventes o

inertes.

En cuanto a la temperatura, estudios termodinmicos de la reaccin

quetalizacin de glicerol determinaron su exotermicidad de modo que es

termodinmicamente desfavorable a temperaturas mayores de 50 C (Figura 3.4). [1]

Los valores de los parmetros termodinmicos se recogen en la Tabla 3.4. Segn

estos parmetros, se trata, como se ha dicho, de una reaccin ligeramente exotrmica

que puede tener lugar espontneamente en estado estndar.En cuanto a la presin, al tratarse de una reaccin en fase lquida, en la que

ninguno de los compuestos que intervienen posee una temperatura de ebullicin inferior

a 50 C, esta variable no tiene efecto sobre el equilibrio. En consecuencia, se debe

tender a utilizar presiones atmosfricas en el reactor aunque siempre teniendo en cuenta

la prdida de presin que se produzca en l.

El alimento en exceso con respecto a la relacin estequiomtrica 1:1 de uno de

los reactivos provocara un desplazamiento hacia la formacin del producto. En este


42/123

26

Figura 3.4. Constante de equilibrio de la reaccin en funcin de la temperatura.

Tabla 3.4. Valores de los parmetros termodinmicos. [1]

Parmetro, unidad ValorH0R, kJ mol

-1 30,1S0R, kJ mol

-1K-1 0,1G0R, kJ mol

- -2,1

caso, se elige un exceso de acetona al utilizarse una menor cantidad (en masa). Las

relaciones estudiadas han sido de hasta 4 de acetona con respecto al glicerol dando

como resultado una mejora en el rendimiento y en la velocidad con el uso de un exceso

mayor.

Se ha utilizado etanol como disolvente debido principalmente a la mejora que

proporciona en la solubilidad del glicerol en acetona y la homogeneidad de la disolucin

que se produce, formando, por tanto, una sola fase y mejorando la reaccin.

La reaccin secundaria de acetona con etanol para formar el hemicetal/cetal bajo

estas condiciones experimentales es muy desfavorable y los rendimientos de los otros

productos no deseados son muy pequeos (menor del 2%). [1]

0

1

2

3

4

5

6

7

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Keq

T,C

Constante de equilibrio en funcin de la temperatura


43/123

27

3.2.3. Anlisis cintico

La expresin de la velocidad de reaccin general para esta quetalizacin podra

expresarse segn el modelo de Langmuir-Hinshelwood considerndose la reaccin

superficial como la etapa limitante. [1]

[3.2]

Donde las constantes k, KWy KCestn definidas por las Ecuaciones 3.3, 3.4 y

3.5, respectivamente, indicndose los valores de los parmetros que aparecen en ellas enla Tabla 3.5 junto con el valor de las constantes a temperatura ambiente.

[3.3]

[3.4]

[3.5]

Tabla 3.5. Parmetros de k, KWy KCy su valor a temperatura ambiente. [1]

A Ea, KJ mol-1

@ 25 Ck 6,310 L mol - min- 55,6 0,112 L mol - min- KW 1,210

- L mol- -64,6 2,650 L mol- KC 1,210

- L mol- -30,1 2,656 L mol-

En el anlisis de estas ecuaciones se observa que la velocidad de reaccin es

mayor al incrementarse la concentracin de acetona y de glicerol y disminuye con la

formacin de solketal, y, sobre todo, con el aumento de la concentracin de agua. ste


44/123

28

ltimo hecho puede atribuirse a la adsorcin de agua sobre la superficie del catalizador

que inhibe la reaccin de formacin de solketal, por lo que se tratara de una inhibicin

reversible por producto.

3.2.4. Condiciones de operacin

La experimentacin para obtener la cintica del proceso se llev a cabo a

temperatura constante de 25 C y a presin atmosfrica, con un exceso de acetona 4:1

ms la misma cantidad de etanol que de glicerina.

Con estas condiciones y operando de forma que la reaccin sea la etapa cataltica

controlante, es decir, aportando una buena agitacin para evitar que se produzcan

gradientes de concentracin en la capa superficial de las partculas, se consigue una

conversin de glicerol en el equilibrio de 0,88.

Sin embargo, operando de modo que la transferencia de materia externa es la

etapa controlante, se consiguieron conversiones de glicerol de 0,94 (Figura 3.5).

Esto es debido a la diferencia de difusividades que existe entre los dos reactivos.

La acetona, al tener un peso molecular ms bajo que el glicerol, difunde ms

rpidamente hacia la superficie de la partcula creando un exceso de sta en la superficiesuperior al utilizado realmente de 4:1.

Figura 3.5. Conversin obtenida en funcin de la etapa controlante.

00,10,20,30,40,50,60,70,8

0,91

0 20 40 60 80 100 120

Conversindeglice

rol

Tiempo, minutos

Conversin

Control de la TM

Control de la RQ


45/123

29

La difusividad de la acetona se calcula mediante la ecuacin de Wilke-Chang

[31] y a partir de los parmetros calculados de la Tabla 3.6.

[3.6]

Tabla 3.6. Parmetros necesarios para el clculo de la difusividad.

Parmetro, unidad Valor

Temperatura, C 25Factor de asociacin del disolvente 1Peso molecular del disolvente 76,5Viscosidad del disolvente, cP 91Volumen molar a la temperatura de ebullicin, cm mol- 80

Se obtiene que la difusividad de la acetona es de 1,5310-11m2s-1.

Para calcular la concentracin de los reactivos en la superficie de la partcula,

debe calcularse en primer lugar el coeficiente de transferencia de materia en el fluido

externo. Para ello se utiliza la correlacin experimental de Wilson y Giankoplis [32]:

[3.7]

donde los nmeros de Sherwood, Schmidt y Reynolds se definen por:

[3.8]

[3.9]


46/123

30

[3.10]

Para aplicar la Ecuacin 3.7 es necesario estimar los valores de la velocidad delfluido, u, y de la viscosidad y densidad de la fase lquida, y, respectivamente. La

velocidad de paso del fluido se ha supuesto en 0,003 m s -1, comprobndose con el

dimensionamiento del equipo y el caudal; la viscosidad y la densidad de la mezcla

lquida se han calculado por simulacin con Aspen Plus. Los valores de estos

parmetros se muestran en la Tabla 3.7.

Tabla 3.7. Parmetros necesarios para el clculo de Sc y Rep.

Propiedades, unidad ValorViscosidad, m kg-1s-1 0,002Densidad, m3kg-1 893Velocidad, m s-1 0,003

Se han calculado los nmeros Sc y Rep que son 105 y 4 respectivamente, con

ellos se obtiene un valor para Sh de 116 y, a partir de la Ecuacin 3.8 se obtiene el

coeficiente de transferencia de materia, kL, cuyo valor es de 2,410-6m s-1.

Al ser procesos en serie, las velocidades tanto de reaccin como de transferencia

externa son iguales (r = amNA); por tanto, se puede calcular la concentracin en la

superficie de la partcula mediante la siguiente ecuacin [32]:

[3.11]

A partir de ella se obtiene que la concentracin de acetona en la superficie de la

partcula es de 10,22 mol L-1y con ello la de glicerol de 1,39 mol L-1, suponiendo que

se mantienen la suma de 6 moles de la disolucin: 4,4 moles de acetona, 0,6 moles de

glicerol y 1 mol de etanol.


47/123

31

Figura 3.6. Concentraciones de reactivos y productos en funcin del tiempo.

Por lo cual, el exceso que se obtiene en la superficie es de 7,4:1. Gracias a esto,

se consigue desplazar ms el equilibrio hacia los productos obtenindose una

conversin mayor de la esperada, en este caso se consigue la conversin de 0,94. Este

exceso tambin se corresponde con el calculado a partir de la constante de equilibrio

para esta conversin.

3.3. TERMODINMICA DE LOS COMPUESTOS Y SUS MEZCLAS

3.3.1. Modelo termodinmico

Para la simulacin del proceso se requiere disponer del valor de las propiedades

fisicoqumicas y termodinmicas de las mezclas de los compuestos que aparecen entre

los distintos equipos de la planta, en las condiciones de composicin, presin y

temperatura que vayan a tener lugar.

En la Figura 3.7, se indican algunos criterios que se deben de tener en cuenta

para la seleccin del modelo termodinmico.

Debido a que los compuestos utilizados son polares, como por ejemplo el agua y

el etanol, pero no electrolitos, se utilizan los modelos termodinmicos basados en

coeficientes de actividad.

0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80 100 120

Concentrac

iones

Tiempo, minutos

Concentraciones

Acetona en disolucinAcetona en partculaGlicerol en disolucinGlicerol en partculaSolketal y agua


48/123

32

Figura 3.7. Criterios para la seleccin del modelo termodinmico. [33]

La presin del proceso no supera los 10 bares, no se disponen de los parmetros

de interaccin y, por ltimo, la mezcla lquida no forma dos fases por lo que se elige el

modelo de UNIFAC.

En la base de datos de Aspen Plusno se encuentra el compuesto solketal por lo

que se aade a partir de los grupos funcionales de UNIFAC para poder predecir sus

propiedades puras y de mezcla. Los grupos funcionales del solketal estn representados

en la Figura 3.8.


49/123

33

Figura 3.8. Grupos funcionales UNIFAC del solketal.

3.3.2. Anlisis de azetropos

La mezcla agua y etanol forman un azetropo de temperatura mnima de

ebullicin a una composicin de 9,6 % de agua y a una temperatura de 78,2 C. El

modelo UNIFAC lo predice con gran exactitud (Figura 3.9). [34]

Figura 3.9. Diagrama T-xy de la mezcla agua/etanol. [34]

75

80

85

90

95

100

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Temperatura,C

Proporcin de agua en moles

Diagrama T-xy de la mezcla agua/etanol

Punto de roco

Punto de burbuja

Punto de roco con UNIFAC

Punto de burbuja con UNIFAC


50/123

34

3.4. DESCRIPCIN DEL PROCESO

3.4.1. Descripcin general del proceso

En la Figura 3.10 se representa el proceso simplificado mediante un diagrama de

bloques.

REACCIN SEPARACIN

DESHIDRATACIN

Glicerina(99,7 %)

Acetona(99,6 %)

AguaSolketal(98 %)

Acetona y etanol

Glicerina

Figura 3.10. Diagrama de bloques del proceso.

El proceso est dividido en tres etapas:

i. Etapa de reaccin: formada por una serie de reactores donde se produce la

conversin del glicerol con acetona para formar el solketal y el agua. El efluente se

lleva a la etapa de separacin.

ii. Etapa de separacin: formada por una columna de rectificacin de la que se obtiene

el glicerol no reaccionado como corriente de cola, que se recircula al reactor, y

como corriente de cabeza, la acetona no reaccionada, el etanol y el agua producida

mientras que la corriente de solketal producto se extrae como corriente lateral.

iii. Etapa de deshidratacin: formada por una columna de rectificacin en la que se

extrae la acetona y la mezcla de composicin azeotrpica de etanol y agua como

corriente de cabeza y agua en la corriente de cola. Posteriormente, la corriente de

cabeza se hace pasar por una membrana de pervaporacin para eliminar totalmente

el agua de la corriente y recircularla al reactor.


51/123

35

3.4.2. Descripcin detallada del proceso

En el apndice A se muestra el diagrama de flujo del proceso.

La corriente fresca de glicerol a 25 C y 1,8 bares (corriente 1) y la recirculacindel glicerol no reaccionado (corriente 21) se mezclan y forman la corriente de glicerol

total (corriente 6). Por otro lado la acetona y el etanol frescos a 25 C y 1,8 bares

(corrientes 2 y 3, respectivamente) se mezclan formando la corriente 4 y despus con la

corriente de recirculacin de los mismos (corriente 31) formando la corriente 5.

La entrada al reactor (corriente 7) es la unin de las corrientes 5 y 6, es decir,

todo el glicerol, acetona y etanol. A esta mezcla se la hace pasar por la serie de reactores

catalticos de lecho fijo (R-001, R-002, R-003 y R-004) en los que se produce laconversin adems de un calentamiento y una prdida de presin de 0,8 bar. Las salidas

de los dos primeros reactores (corrientes 8 y 11) se impulsan mediante las bombas B-

001 y B-002 elevando su presin hasta 1,8 bar (corrientes 9 y 12) y se enfran en los

intercambiadores I-001 e I-002 hasta 25 C (corrientes 10 y 13); en cambio, la salida del

segundo reactor (corriente 14) se impulsa en la bomba B-003 hasta 2 bar (corriente 15)

y se enfra en el intercambiador I-003 (corriente 16) hasta 25 C; de este modo la salida

del cuarto reactor (corriente 17) se encuentra a 1,2 bar y, despus de calentarla hasta la

temperatura de burbuja (corriente 18) en el intercambiador I-004, se introduce en la

columna rectificadora C-001 a la presin adecuada.

La obtencin del producto se realiza a partir de una columna de rectificacin ya

que se utiliza la diferencia de temperatura de ebullicin como agente de separacin y,

adems, permite recuperar el glicerol no reaccionado para recircularlo. La columna C-

001 dispone de un depsito de reflujo D-001, una bomba de reflujo B-004 adems de la

caldera I-005 y el condensador total I-006. De esta columna salen tres corrientes: (1) lacorriente de cola de glicerol (corriente 19) que se enfra hasta 25 C (corriente 20) en el

intercambiador I-007 y se recircula al inicio del proceso mediante la bomba B-005 a 1,8

bar; (2) la corriente lateral de solketal (corriente 22) que se enfra a temperatura

ambiente en el intercambiador I-008 y forma la corriente de producto (corriente 23) con

las composiciones especificadas; y (3) la corriente de cabeza de los ligeros, agua,

acetona y etanol (corriente 24) que se introduce en la columna C-002.

Una vez obtenido el producto, se necesita eliminar el agua del etanol y laacetona para que stos sean recirculados, debido a que la cantidad de agua es muy alta;


52/123

36

primero se utiliza una columna de rectificacin y, posteriormente, debido al azetropo

agua-etanol, se utiliza una membrana de pervaporacin. La columna de deshidratacin

(C-002) dispone de un depsito de reflujo D-002, una bomba de reflujo B-006 adems

de la caldera I-009 y el condensador total I-010. De ella se obtiene agua como corriente

de cola (corriente 25) que se enfra en un intercambiador (I-011) a temperatura ambiente

(corriente 26) y una corriente de cabeza (corriente 18) con la acetona y el etanol,

adems del agua en composicin azeotrpica (corriente 27).

Para completar la deshidratacin, se utiliza una membrana de pervaporacin (M-

001). Por tanto, una vez ajustada la temperatura a la de operacin de la membrana

(corriente 27) con el intercambiador I-12 se introduce la corriente 28 en la membrana.

La salida de rechazado de la membrana (corriente 28) se enfra hasta temperaturaambiente (corriente 30) en el intercambiador I-013 y se ajusta su presin a 1,8 bar

mediante la bomba B-007 formando la corriente de recirculacin de acetona y agua

(corriente 31). El permeado de la membrana contiene sobre todo agua eliminada

(corriente 32) que se enfra hasta 25 C (corriente 33).

3.5. BALANCES DE MATERIA Y ENERGA

Los balances de materia y energa se muestran en el apndice B. Han sido

calculados a partir de los lmites de batera de las Tablas 3.1 y 3.2 y las variables que se

han fijado en el diseo y la optimizacin de los equipos.

3.6. INTEGRACIN ENERGTICA

La integracin energtica en la planta es un ejercicio complejo al tratarse con

catorce corrientes que deben ser enfriadas o calentadas. Aun as, se ha tratado deminimizar las necesidades energticas de toda la planta.

En la Tabla 3.8 se muestran los parmetros necesarios de todas las corrientes

para la integracin energtica.

En el apndice C se muestra el diagrama de Grid obtenido a partir del programa

Aspen Energy Analyzer utilizado para minimizar las necesidades energticas del

proceso. En l aparecen los cambiadores utilizados, los servicios y las temperaturas de

entrada y salida de stos.


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54/123

38

3.7. SELECCIN Y DIMENSIONADO DE LOS EQUIPOS

3.7.1. Dimensionado del equipo de reaccin

El reactor utilizado es un reactor cataltico de lecho fijo donde se produce una

reaccin fluido-slido. El fluido se mueve por conveccin fluyendo a travs de los

espacios entre las partculas. La cintica de la reaccin ha sido tratada en un apartado

anterior. El funcionamiento est enfocado al estado estacionario, ignorando cualquier

consecuencia de la desactivacin del catalizador con el tiempo. Las composiciones de

entrada y salida del reactor se muestran la Tabla 3.11.

Tabla 3.11. Composicin de las corrientes del reactor.

Componente Entrada, kmol h-1 Salida, kmol h-1Glicerol 49,460 2,967Acetona 197,840 151,362Etanol 49,460 49,460Solketal 0,002 46,495Agua 1,201 47,693

Metanol 0,094 0,094Total 298,083 298,083

Configuracin del reactor

La eleccin del tipo de configuracin del reactor se debe hacer segn: (1) el flujo

de lquido, (2) el control de la temperatura y (3) la configuracin del lecho. Esto se

resume en la Figura 3.11. [36]

En la Figura 3.11, la primera divisin se refiere al flujo del lquido. Los reactores

de lecho fijo funcionan mayoritariamente con flujo axial a travs del lecho de partculas

slidas; este ser el caso del reactor.

Dentro de este flujo elegido, la divisin en consideraciones trmicas es entre la

operacin adiabtica y no adiabtica. En este caso la operacin es adiabtica, por tanto,

la temperatura aumenta a lo largo del reactor al tratarse de una reaccin exotrmica.


55/123

39

Modos de operacin

Flujo radialFlujo axial

AdiabticosNo adiabticos(multitubulares)

MultietapaUnietapa

Inyeccionesintermedias

Intercambios de

calor intermedios

Figura 3.11. Modos de operacin convencionales de reactores catalticos de lecho fijo.

En caso en el que el aumento de la temperatura sea alto se debe utilizar un

reactor adiabtico multietapa. Se utiliza la transferencia de calor entre etapas mediante

un intercambio de calor o la refrigeracin por inyecciones intermedias, utilizado para

reacciones exotrmicas. Evitar un aumento excesivo de la temperatura tiene un doble

propsito: (1) desplazar el equilibrio, a fin de aumentar la conversin fraccional o el

rendimiento y (2) disminuir la cantidad de catalizador y el tamao del reactor.

El mximo aumento la temperatura a lo largo del reactor no debe superar los 15

C por lo que se calcula la temperatura a la salida mediante la Ecuacin 3.12. donde los

parmetros utilizados estn reflejados en la Tabla 3.12. [36]

[3.12]

El aumento de temperatura obtenido es de 34 C por lo que el lecho adiabtico se

divide en tramos con refrigeraciones intermedias hasta los 25 C, temperatura de entrada

en cada lecho.


56/123

40

Tabla 3.12. Parmetros para el clculo de la temperatura de salida.

Parmetro, unidad ValorEntalpa de reaccin, kJ mol- 30.100Caudal molar de glicerina, kmol h- 49,460

Conversin 0,94Caudal msico, kg h-1 18.345,80Calor especfico, kJ kg-1C-1 2366,20

Modelo del reactor

La clasificacin para la eleccin del modelo se muestra en

José Luis Moltó Marín - Diseño de Una Unidad de Producción de Solketal

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