DESTILACION REACTIVA

La destilación reactiva es un proceso en el cual ocurre simultáneamente la reacción química y la separación de productos. Esta es sin duda una de las tecnologías que más ventajas potenciales ofrece para la síntesis química en relación con los procesos convencionales, donde la reacción y la separación se llevan a cabo secuencialmente. Una de las principales ventajas de los procesos realizados por destilación reactiva es la eliminación de equipos para la recuperación de productos y para la recirculación de reactivos no convertidos, lo que lleva a la disminución en la inversión de capital y en costos de operación. La destilación reactiva se caracteriza también porque puede mejorar el grado de conversión de reactivos, la selectividad hacia productos de interés y la transferencia de masa a un punto tal que en algunos casos puede evitar el fouling del catalizador. Las etapas de análisis y diseño de un sistema reactivo para determinar la viabilidad Operacional: 1. Estudio de la compatibilidad de los componentes de reacción y separación. La reacción debe darse en la fase líquida, para cumplir con las condiciones mínimas de la operación de destilación. 2. Las condiciones de temperatura y presión óptimas de la reacción deben ser compatibles con las condiciones de alta actividad del catalizador. 3. Análisis de la influencia del componente de separación sobre la reacción. Termodinámica topológica y análisis de la estática.4. Trayectoria de operación. Diagrama de flujo simplificado. 5. Modelamiento matemático. 6. Simulación. 7. Experimentación física. Lo mínima posible .

El problema básico en el diseño de la destilación reactiva consiste en la estimación de la posibilidad de obtener los estados estables con máxima conversión y selectividad. La etapa principal para el diseño de una tecnología en la producción de sustancias orgánicas es la síntesis del diagrama de flujo óptimo que asegure la calidad del producto requerida. Para esto lo más adecuado es partir de una metodología que permita establecer la secuencia de síntesis de esquemas tecnológicos de procesos realizados por destilación reactiva. Para tal fin se destaca el análisis de la estática que permite determinar el esquema tecnológico más apropiado para procesos realizados por destilación reactiva. Este método tiene las siguientes ventajas sobre otros métodos conocidos.

Necesita pocos datos iniciales: parámetros del modelo del equilibrio físico y químico, y la estequiometria de la reacción. Es aplicable a mezclas multicomponentes y multirreactivas. Es aplicable a mezclas altamente no ideales, como azeotrópicas y con solubilidad limitada. Permite seleccionar los estados estables límites factibles. Puede ser fácilmente formalizado como algoritmo. Reduce el tiempo computacional y simplifica laboriosos y extensos experimentos a gran escala. El método ha sido utilizado satisfactoriamente en el diseño de muchos procesos industriales.

CONCEPTOS BÁSICOS DEL ANÁLISIS DE LA ESTÁTICA

La fundamentación teórica del análisis de la estática requiere una descripción de los conceptos básicos utilizados en el estudio que permite determinar la configuración de la torre más adecuada en un proceso realizado por destilación reactiva.

Mezcla inicial: Esta mezcla corresponde a la mezcla virtual de todos los flujos que alimentan la columna de destilación reactiva

X jF= 1

F∑j=1

n

F j X iF j

Donde F indica el flujo total alimentado, F j se refiere al flujo de alimento de la etapa j. X i

F j es la fracción molar del

componente i en la corriente F j . Y X iF j es la composición de mezcla inicial. n es el número total de etapas en la torre de

destilación reactiva. Mezcla seudo inicial: Está formada por la mezcla virtual de todos los flujos de productos. La composición de la mezcla pseudoinicial es considerada como un estado estable.

X i¿= 1

F¿ (X iP+W X I

W+∑j=1

n

U j X iU i)

P es el flujo de producto de la corriente principal y X es la fracción molar del X iPcomponente i en esta corriente. W es

la velocidad de flujo de fondos y X IW es la fracción molar del componente i en la corriente. U j es la velocidad de flujo

retirado desde la etapa j con una fracción molar del componente i de X iU i . Y X i

¿ es la composición de la mezcla seudo-

inicial. Superficie de interacción química: La dimensión de la superficie de interacción química es igual al número de reacciones químicas linealmente Independientes.

X ¿=[1−∑ρ=1

m

νρ ε ρ ]X F+∑ρ=1

m

Ωρ ε ρ

ε ρ Es el avance de la reacción ρ . νρ es el coeficiente estequiométrico total de la reacción química. Ω Es el vector de coeficientes estequiométricos de la sustancia i en la reacción. m es el número total de reacciones. X* Es la superficie de interacción química generada. Región de destilación: es el área o volumen del simplex concentracional llena con un manojo de trayectorias de destilación. Los límites de la destilación en el simplex originan las regiones de destilación. Subregión de destilación: corresponde a los subgrupos de todas las mezclas iniciales, para las cuales en el modo de separación dado (directa o indirecta) corresponden a las composiciones de flujo de productos idénticas cualitativamente. Trayectoria tentativa de los procesos de destilación reactiva: permite estimar un perfil de composición. Este perfil permite observar la posibilidad de alcanzar una productividad de reacción apropiada.

Superficie de equilibrio químico: es un grupo de composiciones en fase líquida para las cuales la velocidad de global de todas las reacciones químicas son iguales a cero. Esta superficie divide el simplex concentracional para cada reacción en áreas de realización directa e inversa.

Estado estable límite: es un estado correspondiente al rendimiento máximo del producto objetivo.

PRINCIPALES ETAPAS DEL ANÁLISIS

Al diseñar procesos que involucran sistemas reactivos, siempre se tienen exigencias operacionales bajo las cuales se debe establecer el esquema de procesamiento, como son: - Demanda de energía mínima. - Conversión y selectividad máximas (máximo rendimiento del producto). - Limitaciones para los niveles de impurezas en los flujos de productos. Más adelante, el análisis de la estática utiliza determinadas concepciones acerca de los procesos de destilación reactiva, asumiendo lo siguiente: - Se consideran las reacciones en equilibrio - La columna de destilación reactiva opera a modo de separación ∞ /∞ (eficiencia máxima, número de platos y reflujo infinito). El orden para determinar los estados estables límites dependen de las propiedades de los procesos de destilación reactiva, más exactamente en las posibilidades de localizar la zona de reacción en secciones específicas de la columna de destilación reactiva. Así, esto es un paso clave para seleccionar el método de diseño correspondiente a los procesos de destilación reactiva. Sistemas con Zona de Reacción Localizada Ahora consideraremos el esquema del proceso, donde hay productos inestables intermedios, como una reacción total con reactantes químicos estables (reactantes y productos). Su estabilidad implica la posibilidad para separarlos como compuestos puros o como una mezcla con reactantes usando el proceso combinado de separación con reacción química. La estrategia del análisis en este caso incluye lo siguiente: - Localización de la zona de reacción. - Construcción del diagrama de destilación y ubicación de las regiones y subregiones de destilación. - Especificación de las composiciones de alimentación. - Búsqueda de los estados estables límites desde la dependencia P/W=f(X*). - Se comprueba la posibilidad de los estados estables predichos. - La trayectoria probable debe desarrollarse en el simplex concentracional total: Selección de la variante de organización de la destilación reactiva. - Síntesis del diagrama de flujo completo para la producción del producto deseado

SEPARACION DEL ACIDO LACTICO

La producción de ácido láctico a partir de materias renovables, se ha incrementado debido a las nuevas aplicaciones que éste tiene al ser usado como materia prima para la fabricación de polímeros biodegradables, aplicaciones alimentarias, médicas, farmacéuticas y cosméticas.

A continuación se presentará el proceso de destilación reactiva, para la separación del ácido láctico.

Análisis de estática

El procedimiento utiliza un mínimo de información inicial y está basado en el análisis de la termodinámica topológica, la estructura del diagrama de fases y posteriormente en las posibilidades de separación de la mezcla seudo-inicial con base en el estudio de los estados estables del proceso, determinando la relación P/W (relación de los flujos de productos), la concentración de alimentación y el posible avance de reacción.

Se asume que la columna de destilación opera en un régimen ∞ /∞ (eficiencia máxima, número de platos y reflujo infinito).

Localización de la zona de reacción

Para este caso se considera la zona de reacción localizada en un catalizador de intercambio iónico.

C4 H 8O3+H 2 O↔ C3 H 6 O3+CH 4O

Lactato de metilo + agua AL +McOH

En total, sólo se cuenta con una región de destilación. Para una separación directa (destilado formulado) encuentra una subregión de destilación (al trazar líneas de balance entre el componente más volátil del sistema MeOH y cualquier punto de alimentación cuaternaria, se origina un punto correspondiente a fondos que siempre tendrá la composición AL - ML - H O). y agua. Para una separación indirecta se encuentra también una subregión de destilación (al trazar líneas de balance entre el componente menos volátil del sistema AL .cualquier punto de alimentación cuaternaria, se origina un punto correspondiente a fondos que siempre tendrá la composición MeOH - AGUA - ML). De tal manera, por destilación en modo de separación directa, el flujo de destilación en modo de separación directa, el flujo de destilado es el metanol y el producto de fondos es una mezcla ternaria de ácido láctico, lactato de metilo y agua. En separación indirecta para la subregión de destilación, el producto de fondos es el ácido láctico puro y el destilado una mezcla ternaria de metanol, lactato de etilo y agua.

Construcción del camino de reacción

Para el trazado de las líneas o caminos de reacción, se hace necesario hallar el polo de la reacción , por medio de la ecuación descrita a continuación. Ubicado este punto, se trazan líneas al punto de máxima conversión a otra coordenada dentro del plano de reacción, quedando así definidos los diferentes caminos o líneas de avance.

L1=L2Np

Nr−Np

Determinación de la dependencia p/w

A cada una de las mezclas seudo iníciales, se les determina el respectivo valor P/W para las diferentes formas de separación (directa, Figuras 5 a 7, e indirecta, Figuras 8 a 10) a través de la correspondiente línea de balance (línea cuyo punto de inicio en el simplex , de composición, corresponde a la composición del flujo del producto formulado -destilado o fondos- y el conjugado corresponde al punto límite de punto de ebullición extremo). Los valores de P y W son hallados a través del uso de la ecuación:

PW

=XW X¿

X D X¿ P = Flujo de Destilado.

W = Flujo de Fondos. XW = Composición de producto de fondos. XD = Composición de producto de fondos. X = Composición de mezcla seudo inicial

Los resultados anteriores son graficados en coordenadas ortogonales (Relación P/W vs. Composiciones seudo iníciales (X)) obteniéndose así la dependencia P/W para cada composición inicial propuesta

Cada una de las relaciones P/W , tanto para la separación directa como para la indirecta presenta el mismo comportamiento de máxima conversión

Determinación de la Viabilidad Práctica de los Estados Estables Límites (EEL)

Para analizar la viabilidad de los EEL, se debe trazar cada una de las trayectorias tentativas correspondientesa cada uno de ellos, y se debe cumplir que:

I. Se desarrollen en todo el simplex concentracional

II. Al menos un segmento de la trayectoria se encuentra en la zona de reacción directa

Para el análisis de las trayectorias tentativas, se tomó para todos los casos un punto con una conversión un poco menor, ya que de lo contrario ninguna de las anteriores cumpliría con la condición de desarrollarse en todo el simplex de concentración, además el segmento de la trayectoria que se ubica en la zona de reacción directa, se encuentra ubicado en todo el límite, y como consecuencia se necesitaría un volumen de reacción infinito.Análisis de las Trayectorias Tentativas

El análisis efectuado para cada una de las trayectorias tentativas trazadas en la Figura, permitirá determinar el EEL más conveniente para desarrollar el proceso de destilación reactiva. Tomaremos como ejemplo el modo de separación indirecta.

Configuraciones obtenidas del análisis de la estática

De acuerdo con el análisis de las trayectorias tentativas para cad EEL, se concluye que el EEL más convincente es el D:

La pureza del producto deseado AL es 100%

La conversión es del 100% respecto al lactato de metilo

Prevalece la condición estequiométrica sobre las demás alimentaciones, ya que no se necesita de otras colomnas para la recuperaci´pon de reactivos, ni recirculación de los mismos.

Especificaciones de la torre de destilación reactiva simulada

La simulación se llevó a cabo tomando como base los resultados obtenidos en el análisis de la estática y cada una de las variables relevantes para la simulación de la torre reactiva:

Sección reactiva: platos 10-30, Sección de agotamiento: 30-40, Plato de alimentación del lactato de metilo: 10, Plato de alimentación del agua: 30, Presión de la torre: presión constante de 1.0132 bares, Temperatura de alimentación de reactivos: 50°C, Relación de Reflujo: 2.8, Velocidad de flujo de destilado (kgmol/h): 0.5

Finalmente, el esquema que representa la configuración final de la torre se muestra a continuación:

Perfiles de composición

El desarrollo del proceso de destilación reactiva es simulado por Aspen Plus, tomando como referencia la composición de la fase líquida en cada una de las etapas.

Del perfil de concentraciones, se infiere que sólo es necesario empacar la columna con un catalizador entre las etapas 20-30, además los resultados de las corrientes de cabeza y fondos, confirman los resultados obtenidos en el análisis de la estática, en dodne se deteerminó que dichas corrientes serían metanol, y ácido láctico en forma pura respectivamente.

Aplicaciones

Los principales procesos en lo que se utiliza destilación reactiva son los siguientes:

Esterificación Transesterificación Hidrolisis Alkilación Aminación Nitración Isomerización Oligomerización Hidrodesulfuración de fracciones de petróleo Síntesis de MTBE

Separacion de acido lactico por reaccion rectiva: queda claro que esta nueva tecnologia puede ser aplicada en la obtencion de acido lactico presentando grandes ventajas sobre otros procesos convencionales como: alimento de reactivos estequiometricos, altas conversiones de reactantes, altos rendimientos en la pureza del producto, ademas de eliminar el flujo de recirculacion y la utilizacion de otras columnas de separacion.

Obtención de Biodiesel

Anteriormente se utilizaba la destilación convencional en la producción de biodiesel, pero a medida que avanza la tecnología de la destilación reactiva se ha podido comprobar que esta es mucho más eficiente y económica para este proceso de producción.

Conclusiones

La implementación de métodos cortos en el diseño preliminar de un proceso, presenta grandes ventajas en el desarrollo convencional de la síntesis de productos. En este trabajo se comprobó la viabilidad de obtener ácido láctico mediante la hidrólisis del lactato de metilo por destilación reactiva, utilizando el análisis de la estática (método corto) como medio para la síntesis del esquema tecnológico del proceso.

Además, los resultados fueron validados mediante la simulación con Aspen Plus; dichos resultados mostraron una formidable concordancia con las posibilidades máximas inferidas del análisis de la estática, lo que demuestra la eficacia del método y su aplicabilidad para la síntesis del esquema tecnológico de manera eficiente y partiendo de una mínima información inicial.Queda claro entonces, que esta nueva tecnología de reacción, presenta grandes ventajas sobre otros procesos convencionales, como: alimento de reactivos estequiométricos, altas conversiones de reactantes, altos rendimientos en la pureza de productos; además de eliminar el flujo de recirculación y la utilización de otras columnas de separación. Lo que finalmente se refleja en la disminución en un alto porcentaje en los costos de inversión y de operación.