Síntesis de n-propionato de propilo por destilación reactiva: estudio experimental y de simulación de tres configuraciones - Cruz Díaz, Martín Rogelio (Universidad Autónoma Metropolitana, 2012)
En el presente trabajo se estudió la reacción de esterificación, activada mediante catálisis ácida heterogénea, de n-propanol (n-POH) y ácido propiónico (AcPro) para formar npropionato de propilo (ProPro) y agua (H₂O), en una columna de destilación reactiva (CDR) planta piloto (50 mm de diámetro interno y 5.5 m de altura). En la sección reactiva se utilizó un empaque catalítico estructurado Katapak™-SP 11, con resina de intercambio iónico de superficie-sulfonada (AmberlystTM 46) como catalizador, mientras que en las secciones no reactivas (despojo y enriquecimiento) se utilizó empaque no catalítico tipo SULZER-BX. La tesis reporta las estrategias experimentales que se implementaron para que la CDR operará en estado estable en tres configuraciones: a) destilación reactiva convencional; b) destilación reactiva acoplando un módulo de membrana (proceso híbrido) en la corriente de destilado para recircular la fase no permeada en la corriente de alimentación de n-propanol; y c) destilación reactiva acoplando un decantador vertical líquido-líquido (proceso heterogéneo) en la corriente del condensado para recuperar los productos y reactivos sin reaccionar. En las tres configuraciones los datos experimentales se utilizaron para validar la capacidad de predicción de un modelo de no-equilibrio (NEQ) de la columna de destilación reactiva (CDR) junto con sus periferias (modelos matemáticos de la membrana y decantador líquido-líquido) implementado en Aspen Custom Modeler (ACM™). Los experimentos y el modelo de la columna se desarrollaron en TU Dortmund University, Department of Biochemical and Chemical Engineering, Laboratory of Fluid Separations, Dortmund, Germany. En el estudio de la CDR convencional un conjunto de seis experimentos y dos simulados conforman esta sección, se analizó la influencia de la relación de reflujo (RR=2.0 a 2.5), la relación molar de reactivos (1-propanol-ácido propiónico) alimentados (FR=2.0 a 2.5)molar y la alimentación total de los reactivos (TF=3.0 a 4.0 kg/h) sobre la pureza, la conversión de las especies y los perfiles de composición y temperatura a lo largo de la columna. Los resultados experimentales y simulados mostraron que a una relación de reflujo de 2.0, alimentación total de 4 kg/h y una relación de alimentación molar de 2.0, la tasa de producción de n-propionato de propilo fue mayor al igual que la recuperación del n-propanol. Sin embargo, a las mismas condiciones pero con una alimentación total de 3 kg/h, la pureza del n-propionato propilo fue mayor y sólo una mezcla binaria se obtiene en el fondo de la columna, aunque el tiempo para alcanzar el estado estable es mayor con respecto a una alimentación total de 4 kg/h. En el estudio de la CDR con un módulo de membrana (Sulzer Pervap™ 2201-D con un área de 0.5 m² ) se realizaron cuatro experimentos, se observó que cuando en el proceso híbrido se realiza la recirculación de la corriente no permeada, del módulo de membrana, hacia la corriente de alimentación de n-propanol, existe un incremento en la producción y en la pureza del ProPro en la corriente del producto del fondo; la alimentación de n-propanol puro a la columna disminuye significativamente, lo cual puede impactar en los costos de operación del proceso. Respecto al estudio de la CDR acoplando un decantador vertical liquido-liquido (decantador-LL de 0.5 L) se realizaron tres experimentos, se encontró un modelo termodinámico (UNIQUAC-Dortmund) que aproximó de forma correcta el equilibrio líquidolíquido (ELL). En el diagrama de ELL se observó que cuando la concentración de n-POH en la mezcla ternaria se encuentre arriba de 0.40 (en general), no se produce un sistema de dos fases. Se observó que la separación de las fases en el decantador-LL es casi completa, indicando que posiblemente con un decantador-LL más grande u horizontal se alcanzaría una completa separación, porque se aumentaría el tiempo de residencia de las fases. Los experimentos del proceso heterogéneo tardaron 3.5 horas mas que el proceso convencional o híbrido para alcanzar el estado estable de operación. En general, los resultados de simulación muestran que el modelo de NEQ (implementado en ACM™) de la columna de destilación reactiva junto con sus periferias (modelos matemáticos de la membrana y decantador-LL) es capaz de aproximar correctamente los datos experimentales de las tres configuraciones de la CDR.