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8/13/2019 Proceso Ebone
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Proceso LUMMUS/ UOP EB ONE fase liquida y proceso CDTECH EB
El etilbenceno (EB) se utiliza casi de forma exclusiva como intermediario en la produccin de
monmero de estireno (SM). Se produce mediante una alquilacin de fase lquida o fase vaporde benceno con etileno.
Hasta 1980, casi todo el EB se manufacturaba con un catalizador de cloruro de aluminio;
algunas unidades empleaban un catalizador a base de trifloruro de boro. En este ao comenz
operaciones la primera planta comercial que us un catalizador de zeolita.
Los proceso de fase lquida y fase mixta que operan a temperaturas menores a 270C que los
procesos catalizados con zeolita fueron en realidad capaces de producir etilbenceno de pureza
elevada. En este captulo se discuten dos tecnologas zeolticas para la produccin de EB:
EBone y CDTECH EB.
El proceso EBone en fase lquida de Lummus y UOP emplea un catalizador muy selectivo y
robusto, con duraciones de corrida comprobadas de ms de seis aos. Este proceso tiene
significativas ventajas de costo de capital y operacin en comparacin con los primeros
procesos que empleaban zeolita en fase vapor o ALCL3, as como con los procesos en fase
lquida para producir EB de la competencia.
El proceso CDTECH maneja un catalizador de zeolita empacado, estas pacas de catalizador se
instalan en el alquilador, semejando un empacado estructurado, lo que hace posible que la
reaccin de alquilacin y la destilacin de reactivos y productos se lleve a cabo en forma
simultnea.
Ambos procesos se caracterizan por rendimientos elevados, pureza superior de producto,
contenidos de xileno muy reducidos, bajo consumo de energa y largas duraciones de corrida,
por lo cual los reactores ya no requieren de repuesto ni los equipos de regeneracin
necesarios en los procesos de zeolita en fase vapor.
Qumica del proceso
El EB es producto de la alquilacin de benceno con etileno en presencia de un catalizador dezeolita. Tambin se realizan alquilaciones posteriores, las cuales producen dietilbenceno y
bencenos ms etilados, denominados genricamente bencenos polietilados. Adems tiene
lugar pequeas reacciones de acoplamiento que generan materiales como difeniletano (DPE) y
otros compuestos con punto de ebullicin elevados.
Descripcin del proceso
El benceno se alquila con etileno para producir una mezcla de bencenos alquilados. Tal mezcla
se destila para recuperar EB, excesos de benceno que van a reciclaje y bencenos mas etilados.
Los PEB se transalquilan con benceno para generar EB adicional. Desde que se utilizan los
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procesos de base zeolita, Lummus y UOP fueron los primeros en introducir el concepto de
reactores separados de alquilacin y transalquilacin.
El reactor de alquilacin en fase lquida consta de varios lechos de catalizador de zeolita que
operan de manera adiabtica. Asimismo, se emplea un exceso de benceno y se inyecta etileno
antes de cada lecho; en el reactor de alquilacin, el etileno reacciona por completo, quedandosolo los constituyentes inertes de la alimentacin, como el etano.
El reactor de transalquilacin tambin est conformado por varios lechos de catalizador de
zeolita. A su vez, se seleccionan las condiciones que mantengan los contenidos del reactor en
fase lquida.
El eje del proceso CDTECH EB es el concepto patentado de destilacin cataltica que combina la
reaccin cataltica y la destilacin en una sola operacin. Primero se introduce el etileno en
forma de vapor al fondo de la zona de reaccin. Posteriormente, la reaccin se realiza en la
zona cataltica de la columna, y la destilacin a travs de toda ella, lo que da como resultadoun flujo contracorriente de vapor y lquido en toda la columna.
Continuamente se retiran productos de reaccin de la zona cataltica, mientras que los
reactivos que no reaccionan y otros materiales ligeros se envan a la salida de vapor. El calor de
la reaccin se extrae de manera inmediata por medio de la evaporacin de benceno, lo cual
resulta fundamental porque permite una operacin caso isotrmica a la temperatura optima
de reaccin. Conforme se inyecta el etileno en las distintas partes del reactor, entra en
contacto con el benceno lquido que viene de la parte superior y se absorbe en la fase lquida.
En condiciones de equilibrio, la mayor parte del etileno se presenta en fase vapor. Al momento
en que el poco etileno del lquido toca el catalizador, reacciona de inmediato para formaretilbenceno.
Economa
Costos de inversin
Los procesos EBOne de Lummus/UOP y CDTECH EB son simples y cuentan con equipos
fabricados en acero al carbn. La inversin es considerablemente menor que la de otros
procesos disponibles comercialmente.
Alimentaciones
Ambas tecnologas logran procesar el rango completo de alimentaciones de etileno; asimismo,
son capaces de trabajar con etileno grado polmero, que presenta una especificacin de 99.9%
mol de etileno, y mximo de 50ppm de otras sustancias insaturadas y 10ppm de propileno.
Rendimientos y calidad del producto
Las reacciones de alquilacin y transalquilacin de los procesos EBone y CDTECH son muy
selectivas. La mnima formacin de residuos y la conversin de etileno del 100% danrendimientos totales de 99.7%. Puesto que las condiciones operativas son moderadas, los
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rendimientos y los niveles d conversin de etileno se mantienen a lo largo de la vida til del
catalizador.
Catalizadores
Los catalizadores de zeolita patentados que se utilizan en los reactores de alquilacin ytransalquilacin son muy estables. Adems de las corridas ms prolongadas que representa
esto. Entre los beneficios de las corridas largas tenemos que los ciclos de apagado para el
reemplazo de catalizadores son muy infrecuentes y que los costos de catalizador por tonelada
producida de etilbenceno se ven reducidos.
Efluentes del proceso
Los componentes inertes de la alimentacin de etileno se disolvern en el efluente del
alquilador y aparecern como materiales no condensables en el sistema de salida de la
columna de benceno, el cual se dirige a un quemador abierto o a un calentador.
Consumo de materia prima y servicios
Los procesos EBOne y CDTECH presentan rendimientos constantemente elevados a lo largo de
la vida til del catalizador. Integrar el calor generado a una unidad de estireno localizada
corriente abajo permite ahorrar insumos de servicios adicionales. La proporcin de benceno a
etileno es moderada.
Proceso de Polimeri Europa de ETILBENCENO
El etilbenceno (EB) es uno de los intermediarios petroqumicos de mayor volumen que se
utilizan hoy en da. Casi toda la produccin de EB y estireno suelen estar ubicadas en la misma
locacin, con lo cual tambin se aprovecha la integracin de la produccin y el consumo de
vapor.
Hoy en da, Polimeri Europa es una de las pocas empresas que, con sus catalizadores a base de
zeolita y tecnologa de proceso es capaz de brindar una tecnologa de produccin de EB flexible
y actualizada.
Qumica del proceso
La alquilacin de benceno con etileno es una reaccin exotrmica que se efecta en la fase
lquida y en presencia de catalizadores zeolticos. Se considera que la reaccin es una
sustitucin electrnica en el anillo aromtico, que tiene lugar mediante un mecanismo de tipo
ion carbonio.
La reaccin de alquilacin principal lleva a la produccin de EB, con el siguiente esquema:
C6 H6 (l) + C2 H4 (g) C6 H5 CH2 CH3 (l)
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Adems, a causa de la presencia de los sitios cidos del catalizador, el etileno puede continuar
reaccionando con el producto de EB, generando dietilbenceno, el cual es el subproducto
principal del proceso:
C6 H5 CH2 CH3 (l) + C2 H4 (g) C6 H4 (CH2 CH3)2 (l)
Junto con el dietilbenceno, tambin se producen otros polietilbencenos, pero en cantidades
mucho menores. Ninguno de los polietilbencenos que se generan constituye una prdida de
material del proceso, ya que se pueden recuperar en la reaccin de transalquilacin que se
lleva a cabo en una seccin especial de la planta, en funcin del siguiente esquema:
C6 H4 (CH2 CH3)2 (l) + C6 H6 (l) 2 C6 H5 CH2 CH3 (l)
El catalizador
Las zeolitas son aluminosilicatos cristalinos con una estructura microporosa regular que puede
ser de distintos tipos, de acuerdo con la composicin qumica y el mtodo de preparacin. La
principal responsable de la elevada selectividad del catalizador es la estructura zeoltica.
Desactivacin del catalizador
Los materiales zeolticos se pueden desactivar ya sea por envenenamiento de los sitios activos
o por el bloqueo de los poros. La primera forma de desactivacin es ocasionada por venenos
que, incluso en cantidades pequeas, pueden contaminar las materias primas. La segunda esconsecuencia de la formacin de coque.
Los venenos conocidos de las zeolitas cidas son los compuestos bsicos como aminas u otros
compuestos con nitrgeno, que pueden estar presentes en la alimentacin de benceno y/o
etileno de los reactores. De hecho, neutralizan los sitios cidos de la zeolita de manera tal que
desactivan al catalizador.
Descripcin del flujo de proceso
Una planta de EB consta de cuatro secciones principales: pretratamiento, alquilacin,
transalquilacin y destilacin.
En la seccin de pretratamiento el benceno fresco proviene del OSBL se alimenta a la columna
de secado para retirar el agua y el oxigeno molecular. El benceno seco se enva a un lecho
protector para extraer cualquier posible veneno del catalizador.
En la seccin de alquilacin la reaccin de etileno con benceno tiene lugar en uno o ms
reactores con lecho fijo debido a lo exotrmico de la reaccin, se necesitan refrigeradores
intra-lechoexternos, los cuales permiten una recuperacin total del calor. El exceso de
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benceno, reciclado de la seccin de destilacin junto con el benceno fresco tratado, se
precalienta y luego es alimentado al principio del tren de alquilacin.
El efluente de la zona de alquilacin, que consiste en esencia de benceno sin reaccionar,
etilbenceno y subproductos como dietilbenceno, polietilbenceno, y componentes de mayor
punto de ebullicin, se alimenta al sistema de destilacin.
En la seccin de transalquilacin el dietilbenceno que se produjo en la zona de alquilacin y
que se separo en la de destilacin, reacciona con el exceso de benceno para producir EB
adicional. Primero, se precalienta la mezcla de benceno y dietilbenceno, y posteriormente se
enva a un reactor de lecho fijo especial, se realiza la reaccin isotrmica en la fase liquida.
La seccin de destilacin est integrada por un tren de tres columnas. La primera columna,
alimentada con efluentes de la alquilacin y la transalquilacion, se remueve el benceno de la
parte superior y se recicla a las secciones de alquilacin y transalquilacion. El EB puro se puede
separar de la cima de la segunda columna, y luego se enva a almacenamiento. En la terceracolumna se efecta la separacin de los subproductos ms pesados. Los polietilbencenos
transalquilables se extraen de la seccin superior de la columna y son reciclados a
transalquilacin, mientras que los subproductos de punto de ebullicin elevados salen del
fondo.
Caractersticas avanzadas del proceso y el catalizador
Todas las tecnologas de produccin de EB basadas en zeolitas presentan las siguientes
ventajas en comparacin con las de la tecnologa de cloruro de aluminio:
* Costos reducidos de inversin y mantenimiento, debido a que todo el equipo de seccin de
la reaccin es de acero al carbn.
* Costos operativos menores, porque emplea un catalizador heterogneo en lugar de un
homogneo.
* Impacto ambiental limitado.
* Selectividad elevada.
Tecnologa de ETILBENCENO de EXXONMOBIL/BADGER
El proceso EBMaxSM para la produccin de etilbenceno por alquilacin de benceno con
etileno, produce etilbenceno en condiciones totales o parciales de fase lquida, en un
catalizador de zeolita patentado por ExxonMobil que se ubica en reactores de lecho fijo. La
pureza del etilbenceno producido en este proceso es muy elevada, por lo general sobrepasa
99.9 por ciento, con menos de 100ppm de impurezas. Las unidades de etilbenceno son
adyacentes a las unidades de monmero de estireno.
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* El catalizador de la alquilacin EBMax genera cantidades muy pequeas de polietilbencenos,
reduciendo con ello el tamao y costo del equipo necesario para recuperar estos compuestos y
el monto de catalizador que se usa para su transalquilacin.
Qumica del proceso
En el reactor de alquilacin, el etileno reacciona con benceno, cuya alimentacin excede la
necesidad estequiomtrica, formando etilbenceno:
C6 H6 + C2 H4 C6 H5-C2 H5
Benceno Etileno Etilbenceno
El catalizador de alquilacin EBMax de ExxonMobil adsorbe con potencia al benceno. En
consecuencia, la formacin de subproductos originados por las reacciones de oligomerizacin
de etileno prcticamente queda eliminada. Se piensa que los oligmeros de etileno pueden ser
precursores de compuestos pesados que contaminan el catalizador, los cuales reducen su
actividad.
El etilbenceno producido se somete a una mayor etilacin:
C6 H5-C2 H5 + C2 H4 C6 H4-(C2 H5)2
Etilbenceno Etileno Dietilbenceno
El etileno reaccionar con otros alquilbencenos presentes en la alimentacin del reactor,
creando los etilalquilbencenos correspondientes. Ejemplo:
C6 H5-CH3 + C2 H4 C6 H4- (CH3)(C2 H5)
Tolueno Etileno Etiltolueno
Todo el tolueno de la alimentacin de benceno de la unidad se presentar en el producto de
etilbenceno, ya sea en forma de tolueno o de etiltolueno.
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En el reactor de alquilacin se experimenta una pequea prdida de rendimiento a causa de
los subproductos pesados que no se convierten con facilidad en etilbenceno en el reactor de
transalquilacin. Entre estos materiales se incluyen los tetraetilbencenos, los polietilbencenos
ms pesados y los diarilalcanos; estos ltimos se forman por una reaccin compleja de
transferencia de hidruros. Ejemplo:
C6 H5-C2 H5 + C6 H6 C6 H5- C2 H4- C6 H5 + H2
Algunos de los compuestos no aromticos que entran a la unidad EBMax con la alimentacin
de benceno, en especial los que tienen puntos de ebullicin muy similares, se concentraran en
el reciclaje de benceno y se podrn observar en la alimentacin de los reactores de alquilacin
y transalquilacin. Estos compuestos pueden formar otros compuestos no aromticos o
pesados. Quiz algunos de estos compuestos no aromticos escapen de la unidad junto con el
producto de etilbenceno o la salida de la columna de compuestos ligeros, al menos una parte
deber ser extrada por reaccin, debido a que no se pueden retirar de modo significativo por
fraccionamiento.
El catalizador de alquilacin EBMax posee una selectividad de monoalquilacin
intrnsecamente elevada. Este catalizador no requiere de un excedente de benceno que
promueva una operacin estable; sin embargo, el excedente ayuda a reducir la cantidad de
polietilbencenos que se produce en el reactor de alquilacin. La mayor parte de las unidadesde etilbenceno en fase lquida incluyen sistemas de pretratamiento de benceno para eliminar
los compuestos bsicos.
Descripcin del proceso
Todas las plantas EBMax tienen una seccin de reaccin, que consta de un sistema de
alquilacin y transalquilacin, y un sistema de destilacin, conformado por cuatro columnasque recuperan el benceno sin reaccionar y el producto de etilbenceno, y rechazan los
compuestos pesados y ligeros. Para precalentar las alimentaciones que van a los sistemas de
reaccin y para calentar las columnas de destilacin, se puede emplear una fuente de calor de
alta temperatura. En las plantas que integran una unidad de EBMax se puede utilizar el vapor
generado en el sistema de alquilacin y los condensadores de salida de vapor de las columnas
de destilacin como vapor de dilucin.
Las plantas que usan etileno diluido como alimentacin requieren de equipo adicional pararecuperar el benceno y los otros compuestos aromticos de los diluyentes inertes que
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conforman el gas residual del proceso. Para las unidades EBMax que reciben alimentacin de
etileno con gran cantidad de diluyentes, el sistema de alquilacin fue diseado para operar en
condiciones de fase liquida parcial, en el cual una fase de vapor, rica en etileno, y una fase
liquida, cargada con compuestos aromticos, fluyen a contracorriente y de manera
descendente a travs de los lechos de catalizador del reactor de alquilacin.
En el sistema de alquilacin, el etileno reacciona con benceno en la fase liquida sobre un
catalizador de alquilacin EBMax de ExxonMobil, formando etilbenceno y cantidades de
polietilbencenos. El benceno se precalienta a la temperatura de reaccin y se introduce al
fondo del reactor; una parte de alimentacin total de etileno se introduce corriente arriba de
cada lecho catalizador. El calor de reaccin de cada etapa se puede recuperar por la accin de
intercambiadores de generacin de vapor.
Los polietilbencenos del etilbenceno crudo se recuperan en la seccin de destilacin de la
planta EBMax. En el sistema de transalquilacin, los polietilbencenos se convierten en
etilbencenos mediante una reaccin con benceno en un recipiente repleto de lquido. Los
polietilbencenos y el benceno se mezclan externamente y luego son precalentados antes de
alimentar al reactor, el cual contiene un solo lecho de catalizador de transalquilacin
ExxonMobil.
En la seccin de destilacin, el benceno sin reaccionar, los polietilbenceno y los compuestos
ms pesados se separan de los efluentes del reactor de alquilacin y transalquilacin para
producir etilbenceno.
Una parte de la salida de vapor de la columna de benceno se alimenta a una columna de
sustancias ligeras para rechazar el C4 y los compuestos ms ligeros. En la seccin inferior de la
columna de sustancias ligeras, el benceno mojado entra en contacto con la alimentacin de
vapor de la columna de benceno. La corriente seca de materiales de fondo se bombea al
tambor de reflujo de la columna de benceno. La salida de vapor de la columna se condensa
con agua de enfriamiento, y el agua que entra al sistema, por medio de la alimentacin de
benceno, se separa de los hidrocarburos condensados del tambor de reflujo. En las unidadesintegradas de EB/SM, se lleva a cabo una recuperacin de compuestos aromticos; cabe
destacar que la prdida de rendimiento por los materiales ligeros es muy pequea y que, por
motivos prcticos, se puede ignorar.
Los materiales de fondo de la columna de benceno se alimentan a la columna de etilbenceno
para recuperar un producto de etilbenceno de alta pureza.
Optimizacin del diseo del proceso y adecuacin para propsitos especficos
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Todas las plantas EBMax incluyen las operaciones bsicas de la descripcin de proceso que se
mencion; no obstante, las condiciones operativas de las secciones de reaccin y destilacin
sern distintas para cada planta en funcin de cmo se haya optimizado su diseo para
integrar los sistemas de servicios y la unidad que se alimentar.
Los modelos de la unidad EBMax fueron optimizados para equilibrar los costos de capital y de
operacin, de acuerdo con los criterios econmicos especficos de cada proyecto, y tambin
considerando las condiciones de suministro de la alimentacin y los lmites impuestos por los
sistemas de insumos. En la mayora de los casos, los criterios econmicos de las plantas nuevas
favorecen un diseo con proporcin B/E baja. El impacto de esta proporcin en el costo del
equipo es fundamental, mientras que, comparativamente, el de materia prima parece
pequeo.
Diseo de procesos EBMax para la alimentacin de etileno diluido
El diseo y la operacin del equipo ubicado corriente debajo de la columna de benceno no
resultan afectados por el uso de la alimentacin de etileno diluido. La qumica de la reaccin
no se ve alterada por la presencia de diluyentes inertes, y el consumo de etileno y benceno no
aumenta de manera notable.
Para los modelos que utilizan etileno diluido, el aumento en el costo de capital y el consumode insumos de la unidad EBMax casi siempre deber justificarse con un incremento en la
produccin de la unidad de etileno o con una reduccin en los costos operativos de la unidad.
Conversin de tecnologa y capacidad de expansin con EBMax
Los sistemas nuevos de reaccin EBMax a menudo se construyen en algn espacio disponible
adyacente mientras la unidad existente sigue operando y se conectan con el sistema dedestilacin durante el ciclo de parada.
En las actualizaciones de la tecnologa fase vapor, por lo regular se reutilizan los reactores
existentes para los procesos de alquilacin y transalquilacin, con lo que la inversin de capital
se reduce. Con estas mejoras se puede lograr un aumento en la capacidad productiva en el
rango de 50 a 100 por ciento, sin que se tenga que modificar en forma radical la seccin de
destilacin.
Calidad de producto del etilbenceno
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La pureza del etilbenceno de la unidad EBMax es muy elevada. Los principales factores que
intervienen en la calidad de producto del etilbenceno son la operacin de la columna de
destilacin y la pureza de la alimentacin de benceno. Las unidades EBMax diseadas para
producir una separacin marcada en la columna de benceno han reportado purezas mayores a99.98 por ciento en peso, al operar con alimentaciones muy puras de benceno.
El diseo y la operacin de la columna de benceno afectan el contenido de benceno del
producto de etilbenceno. El benceno y el tolueno se producen como subproducto de la
deshidrogenacin del etilbenceno en cantidades grandes en relacin con el contenido residual
de benceno del producto de etilbenceno. Por lo tanto, en el etilbenceno suele ser aceptable un
contenido de benceno de aproximadamente 1,000ppm.
Requerimientos de catalizador
La cantidad total de catalizador que necesita el proceso se calcula con base en la capacidad de
la planta, las condiciones operativas del reactor y la meta de operacin continua entre cada
parada de mantenimiento. El catalizador EBMax de ExxonMobil que se utiliza en los reactores
de alquilacin y transalquilacin puede operar durante muchos aos antes de requerir un
reemplazo.
Diseo de una planta EBMax
Una unidad EBMax comn est conformada por un equipo de alrededor de 40 piezas. Todas
las piezas principales estn fabricadas con acero al carbn. Los mezcladores en lnea de
etileno, las mallas de soporte del catalizador y los tubos de un pequeo intercambiador de
agua de enfriamiento estn hechos de acero inoxidable. En la mayora de los modelos, lastorres de destilacin incluyen platos de vlvula convencionales.
En la actualidad, se pueden construir unidades EBMax de un solo tren con capacidades
productivas mayores a un milln de MTA sin grandes dificultades. A finales de 2001 comenz a
funcionar una unidad EBMax capaz de producir 900,000 MTA de etilbenceno. Otra unidad, con
capacidad de 1.3 millones, arranc operaciones en 2004. En ms de una de las localizaciones,
una sola unidad de EBMax provee el etilbenceno de dos o ms plantas de SM. Una vez ms,
resulta importante la caracterstica del catalizador EBMax de operar con un excedente
pequeo de benceno en la alimentacin porque el reactor de alquilacin y las columnas de
benceno son dos de los recipientes ms grandes de la planta de etilbenceno.