Comision Nacional del Agua NORMAS.

Análisis de operaciones unitarias en la producción de óxido de etileno[pic 3]

Alondra Garza, Eduardo P. González, Aldo A. González, Fátima Guerrero, Arturo Hernández*

*Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de Nuevo León, Nuevo León, México

31 de mayo del 2015

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Resumen

Se analizó el proceso de la producción de óxido de etileno, donde se obtuvo el diseño de equipos como bombas, lechos empacados, y compresores. Además, se buscaron áreas de mejora, donde se pudiera sustituir o agregar equipos de tal manera que existiera un ahorro energético y/o económico. Para ello fue necesaria la suposición de datos como longitudes de tubería, las cuales se fijaron en función del tamaño de los equipos dentro del proceso, por lo que los datos obtenidos son muy cercanos a los reportados en el proceso. Apoyados en literatura y según el caso de estudio se utilizaron las ecuaciones correspondientes a cada situación, tomando en cuenta el tipo de flujo (laminar o turbulento), las propiedades del fluido, variables del proceso, etc.

Además, se estimó el costo total de los equipos seleccionados en función del gasto energético y costo de instalación. Asimismo, se obtuvieron los ahorros generados por años de la implementación de mejora, el impacto ambiental y una simulación en el caso de fuga de la producción.

Palabras clave: Óxido de etileno, bomba, lecho empacado, compresor, medidor de orificio, NPSH[pic 5]

Contenido

1. Introducción ……………………………………………………………………………….2
2. Justificación ……………………………………………………………………………………………..2
3. Objetivos ………………………………………………………………………………….2
4. Diagrama de flujo ………………………………………………………………………...3
5. Metodología ………………………………………………………………………………5
6. Resultados y discusiones ………………………………………………………………....8
7. Conclusiones ……………………………………………………………………………..13
8. Recomendaciones ………………………………………………………………………………………..…..13
9. Referencias ………………………………………………………………………………15
10. ANEXOS ………………………………………………………………………………...16

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1. Introducción

El óxido de etileno es un gas a temperatura y presión normales, soluble en agua y fácilmente licuable a temperatura ambiente. Se utiliza como producto de síntesis y como agente de esterilización.

A nivel industrial, el óxido de etileno es un producto químico utilizado para hacer etilenglicol (el ingrediente principal de los anticongelantes). También se utiliza como intermediario para la producción de diversos compuestos químicos que incluyen: poliéster de tereftalato de polietileno para fibras, películas y botellas, éteres de glicol, etanolaminas y colina.

Una pequeña fracción del consumo total (menos del 1%) se utiliza para la fumigación y la esterilización de productos alimenticios y equipo médico. [ 1]

En México el óxido de etileno es producido sólo para la producción del etilenglicol. En el 2012 Pemex fue el principal productor con 345 toneladas y la iniciativa privada aportó 50 toneladas. [2]

Estados Unidos es el principal productor con alrededor de 4000 toneladas al año.

Debido a su alta reactividad, peligro de explosión, y toxicidad, rara vez se envía fuera de la planta de fabricación, por lo cual se bombea directamente al cliente. [3]

1. Justificación

El conocimiento y la comprensión de los principios y fundamentos básicos de la mecánica de fluidos son esenciales para el análisis y diseño de cualquier sistema que use un fluido como medio de trabajo.

Llámense bombas, compresores, lechos empacados, etc. estas operaciones unitarias abarcan un sin número de aplicaciones industriales; la importancia de realizar un buen diseño de los equipos recae en que esto permite el manejo de los recursos naturales de una manera más responsable a la vez de que impacta positivamente en la economía de la empresa que lleve algún proyecto.

1. Objetivos

Analizar y diseñar las operaciones unitarias seleccionadas en el proceso de obtención de óxido de etileno con los conocimientos adquiridos en la unidad de aprendizaje de Mecánica de Fluidos. Además de integrar competencias de otras áreas del conocimiento para realizar un análisis completo.

1. Diagrama de flujo[pic 7]

Figura 1. a) Diagrama de Tuberías e Instrumentación (DTI) de la producción de óxido de etileno

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Figura 1. b) Continuación

Descripción del proceso

El etileno fresco se mezcla con una corriente de reflujo proveniente de la salida del segundo depurador, los cuales son mezclados con una corriente de aire previamente comprimida. Luego esta corriente mixta pasa por un intercambiador de calor y es alimentada al primer reactor.

En el reactor ocurre una oxidación catalítica (con un catalizador basado en plata) del etileno con el oxígeno para la formación de óxido de etileno. Aquí sucede la reacción principal:

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Paralelamente ocurren las siguientes reacciones secundarias:

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La corriente efluente pasa a un IC para ser enfriado y posteriormente comprimido, para después pasar al depurador, donde el óxido de etileno es absorbido por el agua. El vapor de este depurador es calentado y estrangulado para llevarlo al segundo reactor, en el cual ocurren las reacciones anteriores para después pasar a una segunda etapa de enfriado, compresión, y depuramiento.

La fracción de la corriente del vapor del segundo depurador es enviada a una recirculación, y el resto es gas combustible como producto.

Los efluentes de los depuradores son mezclados, enfriados y estrangulados, para finalmente entrar a una torre de destilación para separar el óxido de etileno y el agua.

Después de la torre de destilación, la corriente de la cabeza pasa a un tanque donde se almacena el condensado y se evaporan los gases ligeros. Luego se bombea el reflujo al destilador para tener una mejor separación y obtener el producto deseado (Figura 1). [3]

1. Metodología

Se comenzó por calcular la potencia requerida y carga desarrollada por la bomba P-701 A/B mediante un código en Matlab[4] debido a que la tubería se parte en dos secciones. Esto mediante un sistema de ecuaciones conformado por los balances correspondientes de Bernoulli (Ec.1) de tanque a tanque, las ecuaciones para [pic 12](Ec.2) y una ecuación propuesta para carga.

[pic 13]                                (Ec.1)

[pic 14]                                (Ec.2)

[pic 15]                                                 (Ec.3)

Para evitar la cavitación, es preciso que la presión a la entrada de la bomba exceda a la presión de vapor en un cierto valor, llamado carga neta de succión positiva (NPSH, net positive suction head), la cual se calcula como muestra la Ec.4.

[pic 16]                                             (Ec.4)

Para calcular la altura a la cual se debe colocar la bomba evitando cavitación, se obtuvo el NPSH de la curva característica seleccionada a las condiciones de eficiencia y flujo volumétrico necesarios, traduciendo previamente la carga de la curva (en términos de agua) a las condiciones del proceso (Ec.5).

[pic 17]                                                               (Ec.5)

Posteriormente se calculó la potencia de los compresores adiabáticos, de acuerdo con la Ec. 6.

                                           [pic 18]                                                     (Ec.6)  

Así mismo se optó por calcular el trabajo adiabático en una etapa e isotérmico (Ec.7) para posteriormente hacer un análisis de los resultados.

[pic 19]                                                (Ec.7)

Las caídas de presión en las tuberías del proceso, las cuales se tomaron como isotérmicas con fricción (Ec.8) donde circulaban fluidos compresibles, se calcularon para obtener la presión a la que entraba a la siguiente operación unitaria.

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