Proyecto Ciclohexanol
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UNIVERSIDAD TCNICA FEDERICO SANTA MARA DEPARTAMENTO DE INGENIERA QUMICA Y AMBIENTAL
PRODUCCIN DE CICLOHEXANOL A PARTIR DE LA
OXIDACIN DE CICLOHEXANO
DISEO DE PROCESOS
Integrantes: Franz Aravena 2804333-3
Felipe Cisternas 2904319-1
Claudio Durn 2851055-1
Daniela Leal 2951017-2
Rodrigo Olmedo 2904073-7
Mara Ramos 2904020-6
Jorge Urbina 2951054-7
Profesor: Andrs Vargas
Ayudante: Sebastin Franco
14 de Julio, Valparaso
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Produccin de Ciclohexanol a partir
de hidratacin de Ciclohexano
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1. Resumen Ejecutivo
El siguiente trabajo desarrollado consiste en la descripcin total y acabada de un proceso de produccin
de ciclohexanol con un 98% de pureza a partir del compuesto ciclohexano, mediante una reaccin de
oxidacin parcial llevada a cabo con aire y la utilizacin de un catalizador compuesto por Cobalto, cuya
conversin de reaccin es de un 11%. En particular se plantea un procedimiento mejorado para la
eliminacin de subproductos no deseados, generados en la oxidacin parcial, y mantener un alto grado de
recuperacin de productos de valor para as maximizar el rendimiento y aumentar la viabilidad econmica
del proceso.
El proceso propuesto consta principalmente de cuatro etapas de separacin en donde se emplean
distintos procedimientos en cada una de estas, reduciendo as sustancialmente las prdidas de cido adpico
y la mezcla azeotrpica ciclohexanol-ciclohexanona la cual ser llamada desde ahora como anolone, las
etapas mencionadas son la separacin de cido adpico a partir de los productos de la reaccin de oxidacin,
la neutralizacin de los subproductos cidos, la saponificacin de steres de ciclohexanol en la ausencia de
ciclohexanona y la separacin de anolone, cada una de estas etapas se logra llevando a cabo una serie de
procedimientos de lavados acuosos y procesos de destilacin que se pueden aplicar al producto de
oxidacin de ciclohexano o a porciones del mismo para limpiar los subproductos del anolone deseado y
para separar el anolone del ciclohexano que no ha reaccionado hasta producirse la separacin final para
obtener finalmente el ciclohexanol.
Tambin como parte del desarrollo de este proceso se hace una descripcin total de cada uno de los
equipos que componen el proceso completo, debido a que de estos y su configuracin depende el obtener
una buena separacin y recuperacin del producto de inters, el objetivo principal de los procesos
orientados hacia este producto de reaccin es, por supuesto, la separacin, en alta pureza, con altos
rendimientos, de ciclohexanona y ciclohexanol. Adems, teniendo una buena recuperacin de cido
adpico, se mejora la descomposicin de los steres de ciclohexanol, aumentando as el rendimiento de este
alcohol.
Algunos de los mtodos aplicados para optimizar la separacin son lavar los productos de reaccin con
soluciones de hidrxido de sodio acuoso para saponificar de 2 a 6 % de los steres de ciclohexilo contenidos,
tambin realizar lavados del producto de reaccin con una solucin alcalina acuosa a 90 C con el fin de
separar los cidos y steres libres remanentes, siempre teniendo en cuenta, que la ciclohexanona posee
una tendencia natural a la auto-condensacin que puede ser catalizada por cidos o bases, o que puede
iniciarse tambin por efectos trmicos lo que conduce a prdidas sustanciales en ciclohexanona, ya que
estos productos de condensacin son acumulados durante las destilaciones posteriores como residuos de
residuos.
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Produccin de Ciclohexanol a partir
de hidratacin de Ciclohexano
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2. ndice
2.1. ndice General
1. Resumen Ejecutivo ................................................................................................................ 2
2. ndice ..................................................................................................................................... 3
2.1. ndice General .................................................................................................................... 3
2.2. ndice de Tablas .............................................................................................................. 4
2.3. ndice de Figuras............................................................................................................. 4
3. Descripcin del Producto ....................................................................................................... 5
3.1. Propiedades fsicas y qumicas ....................................................................................... 5
3.1.1. Propiedades fsicas ................................................................................................................5
3.1.2. Propiedades qumicas ...........................................................................................................6
3.2. Almacenamiento y transporte ........................................................................................ 6
3.3. Toxicologa y salud en el trabajo .................................................................................... 6
4. Descripcin del Proceso ......................................................................................................... 6
4.1. Reaccin ......................................................................................................................... 7
4.2. Separacin ...................................................................................................................... 8
4.3. Lavado ............................................................................................................................ 8
4.4. Primera etapa de destilacin .......................................................................................... 9
4.5. Segunda etapa de destilacin ......................................................................................... 9
4.6. Saponificacin .............................................................................................................. 10
4.7. Tercera etapa de destilacin ........................................................................................ 10
5. Descripcin de equipos ........................................................................................................ 11
6. Diagramas de Flujos ............................................................................................................. 19
7. Balances ............................................................................................................................... 22
8. Anexos y Referencias ........................................................................................................... 29
Referencias. .................................................................................................................................. 29
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de hidratacin de Ciclohexano
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2.2. ndice de Tablas
Tabla 1. Propiedades fsicas de Ciclohexanol .................................................................................. 5
Tabla 2. Balance del reactor .......................................................................................................... 26
Tabla 2. Balance del separador ..................................................................................................... 27
Tabla 3.Balance de la etapa de lavado .......................................................................................... 27
Tabla 4. Balance de la primera etapa de destilacin..................................................................... 27
Tabla 5. Balance de la segunda etapa de destilacin .................................................................... 27
Tabla 6. Balance de la etapa de saponificacin............................................................................. 27
Tabla 7.Balance de la tercera etapa de destilacin ....................................................................... 28
Tabla 8. Composicin productos finales tercera etapa de destilacin.......................................... 28
2.3. ndice de Figuras
Figura 1. PFD Produccin de Ciclohexanol .................................................................................... 19
Figura 2. Esquema Reactor R-01 ................................................................................................... 22
Figura 3. Esquema de Flujos Seprarador S-01 ............................................................................... 23
Figura 4. Esquema de Flujos Etapa de Lavado .............................................................................. 23
Figura 5. Esquema de Flujos Primera Etapa de Destilacin .......................................................... 24
Figura 6. Esquema de Flujos, Segunda etapa de Destilacin ........................................................ 24
Figura 7. Esquema de Flujos, Etapa de saponificacin .................................................................. 25
Figura 8. Esquema de Flujos, Tercera etapa de Destilacin .......................................................... 26
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de hidratacin de Ciclohexano
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3. Descripcin del Producto
El ciclohexano en la industria es un producto de gran inters para la produccin de cido adpico que se
utiliza para la creacin de nylon, adems de resinas y plastificantes. Usado tambin como solvente y
limpiador de materiales, en la manufactura de jabones y detergentes, as como intermediario en productos
farmacuticos, ciclohexilamina y pesticidas. Por lo cual, es un producto qumico de alto volumen de
produccin que exceden el milln de libras al ao solo en los EE.UU.
Es un compuesto orgnico con la formula 611. Molcula que est constituida por el anillo de
ciclohexano con una sustitucin de un tomo de hidrgeno por un grupo hidroxilo. Este compuesto existe
como un slido incoloro que se vuelve lquido lentamente al absorber la humedad del aire, y se encuentra
en un estado muy puro cerca de la temperatura ambiente.
3.1. Propiedades fsicas y qumicas
3.1.1. Propiedades fsicas
Las propiedades fsicas ms importantes del ciclohexanol son mostradas en tabla 1. Tabla 1. Propiedades fsicas de Ciclohexanol
0,15 (20 )
0,48 (35 )
8,25 104 -
41,07 (30 )
17,20 (45 )
1,747
33,47 (30 )
1,791
3,722
45,51
352
68
300
20
3,6
12,6
100
100
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3.1.2. Propiedades qumicas
El ciclohexanol se somete a reacciones qumicas tpicas de alcoholes secundarios. Se puede esterificar
como la mayora de los cidos orgnicos, mientras que los cidos halgenos pueden convertir el alcohol en
el correspondiente haluro de ciclohexilo. La deshidratacin de cido sulfrico o el tratamiento en fase de
vapor con almina a 300-400 C conduce al ciclohexeno. La oxidacin suave o deshidrogenacin cataltica
da como resultado ciclohexanona. Por ltimo, los agentes oxidantes fuertes, como el cido ntrico dan como
resultado un buen rendimiento de cido adpico.
3.2. Almacenamiento y transporte
El ciclohexanol no es corrosivo para el hierro o el acero y puede ser almacenados o transportados en
bidones, contenedores y camiones cisternas. No se requiere una capa de gas inerte, el que normalmente
podra ser nitrgeno.
A mediados de 1986, el Departamento de Transporte (DOT) de EE.UU clasifica tanto ciclohexanol como
lquidos inflamables. Tambores que contienen < 416 Litros no requieren una etiqueta de material peligroso,
pero cantidades mayores deben ser etiquetadas como Combustible lquido.
3.3. Toxicologa y salud en el trabajo
El ciclohexanol es moderadamente toxico y no posee canceroginidad aparente, aunque puede causar
lesiones a la crnea y puede ser absorbido por la piel en cantidades txicas y una amplia exposicin puede
causar temblores, narcosis, hipotermia y la muerte. Segn la OSHA la exposicin mxima de vapor durante
8 horas es de 50 ppm, sobrepasando este rango se pueden presentar sntomas como irritacin de ojos, nariz
y garganta.
Por otro lado, la exposicin de animales a una alta concentracin de vapores de ciclohexanol da lugar a
irritacin, lagrimeo, salivacin excesiva, falta de coordinacin, letargo, narcosis, convulsiones leves y en
algunos casos la muerte. No se observaron cambios degenerativos en el cerebro, los riones y el hgado en
conejos expuestos repetidamente a concentraciones a altas de vapor de ciclohexanol
4. Descripcin del Proceso
La produccin de ciclohexanol es llevada a cabo a partir de una reaccin de oxidacin, la cual utiliza agua,
aire y ciclohexano como materia prima obteniendo como subproductos cliclohexanona, cidos y esteres de
ciclohexanol principalmente. Su recuperacin es un proceso que requiere varias etapas de purificacin, de
separacin y de limpieza las cuales tienen la finalidad de obtener un producto con un 98% de pureza en su
composicin.
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Para entender de mejor manera la elaboracin del ciclohexanol, el proceso es simplificado en siete etapas
que incluyen la obtencin final del producto puro.
1) Reaccin
2) Separacin
3) Lavado
4) Primera etapa de destilacin
5) Segunda etapa de destilacin
6) Saponificacin
7) Tercera etapa de destilacin
Del reactor se obtiene una emulsin, la cual es llevada a un separador para separar la fase acuosa de la
fase orgnica. La fase acuosa es llevada a un tratamiento de recuperacin de cido adpico mientras que la
fase orgnica es neutralizada mediante una solucin caustica diluida para no saponificar los esteres
presentes en la mezcla. La mezcla neutralizada (o el producto de reaccin neutralizado) es llevado a un
proceso de separacin por destilacin de tres etapas. En la primera etapa se recupera la mayor parte del
ciclohexano sin reaccionar, la cual es llevada nuevamente a la etapa de conversin. La mezcla de productos
orgnicos libres de ciclohexano es llevada a una segunda etapa de destilacin bajo vaco en donde es posible
separar el ciclohexanol y la ciclohexanona de los dems componentes orgnicos. Los residuos orgnicos de
esta etapa son sometidos a un proceso de saponificacin con una solucin alcalina acuosa para recuperar
el ciclohexanol remanente. Finalmente, la mezcla de ciclohexanol y ciclohexanona es llevada a una tercera
etapa de destilacin bajo vaco para recuperar el ciclohexanol con un 98% de concentracin por el fondo.
4.1. Reaccin
La oxidacin de ciclohexano con aire es llevada a cabo en el reactor R-01, en donde el ciclohexano con
una porcin de agua es alimentado a travs de la lnea 1 y el aire a travs de la lnea 2.
La reaccin de oxidacin llevada a cabo en el reactor es representada por la siguiente ecuacin:
+ O2 + + Otros
Ciclohexano Ciclohexanol Ciclohexanona
3C6H12 + 3O2 2C6H11OH + C6H10O + H2O + O2 + Otros
La reaccin de oxidacin ocurre a temperaturas superiores a 140 C dando como subproductos cido
dicarboxlico con una longitud de cadena de 2 a 6 tomos de carbono, cidos monocarboxlicos, alcoholes
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alifticos primarios, esteres de ciclohexanol con cidos mono- y dicarboxlicos y polmeros de
ciclohexanona.
Para evitar la formacin de sub-productos indeseados, la reaccin ocurre con una baja conversin de
ciclohexano a productos oxidados. Para controlar la oxidacin en el reactor, el aire ingresa a travs de 3
lneas distintas al reactor (lneas 3, 4 y 5) definiendo 3 etapas de oxidacin.
La configuracin del reactor contempla la evacuacin de los gases inertes presentes en el a travs de una
lnea 8 posicionada en la parte superior de este. Para evitar las prdidas de Ciclohexano, se instala un
condensador (H-01) previo a la evacuacin de los gases. En este equipo los vapores de Ciclohexano se
condensan y junto a otros componentes orgnicos, son devueltos nuevamente al reactor para ser
procesados (a travs de la lnea 6).
4.2. Separacin
En la etapa de sedimentacin el producto de reaccin que abandona el reactor R-01 por la lnea 10, es
enfriado en el intercambiador de calor C-01 para lograr mejorar la separacin en el separador.
Los productos de la reaccin enfriados ingresan al separador S-01 a travs de la lnea 12 en donde se
separa la fase acuosa de la orgnica. La fase acuosa pesada es llevada a un tratamiento de recuperacin de
cido adpico a travs de la lnea 13 mientras que la fase orgnica, compuesta principalmente por
ciclohexano, ciclohexanol, ciclohexanona y los otros subproductos indeseados, son llevados a la etapa de
lavado del proceso.
4.3. Lavado
La fase orgnica proveniente del separador a travs de la lnea 14. Se mezcla con la lnea 20-2 e
ingresando a la parte inferior EZ-13 de la columna de lavado E-01 a travs de la lnea 15. La columna de
lavado E-01 est compuesta, en efecto, por zonas de lavados dispuestas una encima de la otra.
En la columna de lavado inferior EZ-12, el producto orgnico es lavado con una solucin caustica de baja
concentracin (alrededor del 3%) la cual es ingresada a la columna a travs de la lnea 16. En la zona superior
EZ-12 el producto es lavado con agua alimentada a travs de la lnea 17.
En esta etapa del proceso, la fase orgnica es lavada con una solucin caustica en contracorriente y luego
con agua a aproximadamente a la misma temperatura. Este doble lavado se utiliza principalmente para
eliminar las sales de cidos orgnicos e impurezas.
Por el tope de la columna, la fase orgnica libre de componentes solubles en agua, es trasportada por la
lnea 18 al intercambiador de calor C-03 y luego por la lnea 23 al evaporador H-03 para finalmente ingresar
a la columna de destilacin E-03. Por el fondo, la solucin de lavado, es decir, la soda caustica diluida junto
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con sustancias solubles principalmente, es llevada por la lnea 19-1 al intercambiador de calor C-02 y luego
por la lnea 19-2 a la columna de separacin E-02 en donde se alimenta vapor para recuperar el ciclohexano,
el ciclohexanol y la ciclohexanona remanentes en la solucin de lavado.
El ciclohexano, la ciclohexanona y el ciclohexanol recuperados de la mezcla azeotrpica con agua, son
retirados de la columna E-02 por el tope a travs de la lnea 20-1. Mediante el condensador H-02 la mezcla
recuperada es enfriada siendo devuelta a la columna E-01 a travs de la lnea 20-2.
Por el fondo de la columna E-02, a travs de la lnea 21, se elimina el exceso de agua y las sales de cidos
orgnicos del proceso. Esta ltima corriente es utilizada como servicio en el intercambiador C-02 para
calentar la alimentacin de la columna E-02.
4.4. Primera etapa de destilacin
La mezcla de compuestos orgnicos provenientes de la columna E-01 a travs de la lnea 18, es llevada a
travs del intercambiador C-03 y luego por el evaporador H-03 para ser alimentada a la columna de
destilacin E-03.
La fase orgnica proveniente del evaporador H-03 ingresa a la columna de destilacin E-03 a travs de la
lnea 26. En esta columna la mayor parte del ciclohexano sale por el tope en forma de gaseosa, mientras
que el ciclohexanol, la ciclohexanona y las impurezas restantes, son condensados y recogidos en la zona
inferior EZ-31 de la columna E-03. Los vapores de ciclohexano que salen por el tope de la columna E-03 son
llevados por la lnea 27 al intercambiador de calor C-03 donde son enfriados parcialmente, y luego a travs
de la lnea 28 al condensador total H-04. Una parte del ciclohexano condensado es devuelto como reflujo a
la columna E-03 a travs de la lnea 30, mientras que el resto es trasportado por la lnea 31 haca el
intercambiador de calor C-01 para luego ser enviado nuevamente a la etapa de reaccin a travs de la lnea
11.
Parte de la mezcla que sale por el fondo de la columna E-03 a travs de la lnea 32, es devuelta a la columna
E-03 por la lnea 33, mientras que el resto es llevado al rectificador de pelcula fina RE-01, donde el
ciclohexano remanente es separado de la mezcla siendo devuelto a la columna E-03 a travs de la lnea 35,
mientras que la mezcla rica en ciclohexanol y ciclohexanona es llevada a la segunda etapa de destilacin.
4.5. Segunda etapa de destilacin
Por la parte inferior del rectificador se obtiene una mezcla idealmente libre de ciclohexano, la cual lleva
consigo ciclohexanol, ciclohexanona junto e impurezas. Esta mezcla es enviada por la lnea 36 al evaporador
H-05, el cual alimenta a la columna de destilacin E-04. Esta columna trabaja a presiones de vaco generadas
por la bomba P-01 que opera a travs del condensador H-06 y de las lneas 40, 41 y 42.
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En la columna de destilacin E-04 se destila el ciclohexanol y la ciclohexanona de las impurezas contenidas
en la mezcla, como por ejemplo los steres de ciclohexanol. La lnea 42 que sale por el tope contiene
ciclohexanol y ciclohexanona gaseosos, abandona el equipo a travs de la lnea 42 siendo llevada al
condensador H-06. La mezcla condensada es depositada en el tanque TK-01, en donde una pequea porcin
de ste condensado es devuelta a la columna E-04 como reflujo por la lnea 43, y el resto es enviado a la
torre de destilacin E-06 por la lnea 44.
La mezcla que sale por el fondo de la columna E-04 a travs de la lnea 54, compuesta principalmente de
esteres de ciclohexanol con algunas impurezas orgnicas, es enviada a la columna de saponificacin E-05.
Antes de ingresar a esta columna, la mezcla es juntada agua a travs de la lnea 56. Luego, la mezcla
resultante, es enviada a la columna de saponificacin por la lnea 55.
4.6. Saponificacin
En la parte superior de la columna de saponificacin E-05, la mezcla que ingresa por la lnea 55, es hervida
con una solucin caustica concentrada. Esta solucin caustica es introducida a la columna de a travs de la
lnea 57.
Los compuestos de ciclohexanol y ciclohexanona remanentes son evaporados de la mezcla siendo
recuperados por el tope. Esta mezcla retirada de la columna E-05 es llevada por la lnea 58 hacia el
condensador H-08, y luego por la lnea 59 hacia la etapa de sedimentacin.
En la porcin inferior de la columna E-05, los steres de ciclohexanol son saponificados. Los jabones que
resultan de la saponificacin, ms la solucin de lavado, son llevados por la lnea 60 al tanque de separacin
TK-02. En este tanque los jabones que se renen en la parte superior de la fase acuosa son retirados como
residuos por la lnea 61, mientras que la solucin caustica diluida contenida en el fondo del tanque TK-02,
se conduce a travs de la lnea 62 para ser utilizada en la columna de lavado E-01.
4.7. Tercera etapa de destilacin
La mezcla que sale por el tope de la segunda etapa de destilacin, compuesta principalmente de
ciclohexano y ciclohexanona, es transportada por la lnea 44 hacia el evaporador H-09 que vaporiza
completamente la mezcla anolone. Los compuestos vaporizados son alimentados a la columna de
destilacin E-06. En esta columna se destila el ciclohexanol como producto de fondo y por el tope, la
ciclohexanona.
Esta tercera etapa de destilacin, al igual que la anterior, se realiza a presin de vaco, condicin
proporcionada por la bomba P-02
La ciclohexanona obtenida por el tope es enviada al condensador H-07 por la lnea 45, y luego al tanque
TK-03 por la lnea 46. Parte del condensado es devuelto como reflujo a la columna a travs de la lnea 47.
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La solucin obtenida en el fondo de la columna es dividida y en parte enviada de regreso al Evaporador
H-09. La lnea que transporta este flujo es la nmero 51.
El ciclohexanol que se obtiene por el fondo es retirado por la lnea 52 con una concentracin de 98% de
pureza.
5. Descripcin de equipos
5.1. Reactor R-01
La reaccin de oxidacin se produce al poner en contacto ciclohexano que ingresa mediante la lnea 1 con
un gas que contiene oxgeno molecular proveniente de la lnea 2 a travs de las lneas 3,4 y 5, que definen
tres etapas de oxidacin en el reactor debido a que este presenta una pluralidad de puntos a lo largo de la
zona de reaccin por lo que se proporciona un contenido de oxgeno controlado que vara en la mezcla
dependiendo de la zona de reaccin. Lo mencionado, es sumamente importante debido a que una oxidacin
sin controlar provocara una produccin excesiva de subproductos.
En la reaccin se consigue una conversin de ciclohexano de 4 a 15 porciento, utilizando 0,05 a 0,02 moles
de oxgeno por mol de ciclohexano. Lo anterior, tiene lugar en la fase lquida bajo condiciones de ebullicin
de temperatura y presin que se encuentra en el orden de los 150 a 180 C con un tiempo de residencia de
ciclohexano de alrededor 5 a 30 minutos utilizando por lo general un compuesto que posee cobalto como
catalizador. Una vez completado esto el producto de la reaccin sale como producto lquido por el fondo
del R-01 por la lnea 10.
Por qu es importante controlar la oxidacin?
Es sumamente importante, debido a que una oxidacin sin controlar provocara una produccin excesiva
de subproductos indeseados.
5.2. Condensador H-01
Por otro lado, los gases sin reaccionar que contienen vapores de ciclohexano, salen de R-01 mediante la
lnea 6 y pasan a travs del condensador H-01, donde los compuestos orgnicos normalmente vuelven a
estado lquido y son retornados a R-01 por la lnea 7. En tanto, los gases inertes no condensador son
eliminados por la lnea 8.
Por qu es importante la funcin del condensador?
Este equipo permite disminuir el gasto de materia prima como lo es el ciclohexanol, ya que se produce la
condensacin de los vapores sin reaccionar.
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5.3. Intercambiador C-01
El producto de la reaccin que sale de R-01, pasa a travs del intercambiador de calor C-01 para enfriar el
producto de reaccin a aproximadamente 100C, mediante contacto indirecto con un fluido de
refrigeracin en el serpentn. Esto para asegurar que el agua presente en la mezcla este en fase lquida.
Por qu es importante el equipo?
Se hace importante debido que al enfriar la lnea de producto de la reaccin pasa a fase lquida,
formndose una mezcla heterognea de productos orgnicos e inorgnicos.
5.4. Separador S-01
La mezcla de productos enfriados se lleva por la lnea 12 al Separador, donde la fase acuosa ms pesada
sedimenta y se extrae por la lnea 13 a un procedimiento de recuperacin de cido adpico, la cual se justifica
debido a que la lnea que ingresa a S-01 posee una cantidad considerable.
La fase orgnica que es ms liviana comprende principalmente ciclohexano, adems de anolone y una
serie de productos que incluyen cidos, steres, etc. Los que pasan a travs de las lneas 14 y 15 hacia la
columna de lavado E-01.
Por qu es importante este equipo?
El separador toma un rol importante en el proceso, ya que es la primera etapa donde se produce una
separacin de producto a partir de propiedades fsicas. Adems este procedimiento permite obtener la fase
acuosa en condiciones aptas para una subproduccin de cido adpico, recuperacin que mejora la
descomposicin de los esteres de ciclohexanol aumentando el rendimiento de este alcohol.
5.5. Columna de Lavado E-01
La fase orgnica resultante de la separacin y que va por la lnea 15 se sita preferentemente en la parte
inferior de la columna de lavado. Esta columna es en efecto dos columnas de lavado colacadas una encima
de otra donde denominaremos la zona de lavado con soda caustica como EZ-11 y la de lavado con agua
como EZ-12. El producto que ingresa a E-01 lo hace con una temperatura de 50 a 100C y una vez dentro el
producto pasa hacia arriba en contacto contra lnea con una solucin de hidrxido de sodio al 6% que fluye
hacia abajo proveniente de la lnea 16. Posterior al contacto con la soda custica, la fase orgnica pasa a
travs de la zona EZ-12 en contacto contra lnea con el agua introducida por la lnea 17 a una proporcin
preferente de 7 a 22 partes de esta por parte en volumen de lquido orgnico, donde este doble lavado
sirve para descomponer y/o eliminar los cidos y steres remanentes en el efluente de la primera etapa de
oxidacin y sirve para impedir que partes causticas libres puedan ir con el producto de tope despus de su
paso por la seccin de soda . El agua de lavado va pasando hacia abajo a travs de ambas secciones,
arrastrando en el camino los mencionados subproductos no deseados, pero tambin algunos componentes
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Produccin de Ciclohexanol a partir
de hidratacin de Ciclohexano
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anolone, lo anterior ingresa a la seccin EZ-11 diluyendo la solucin custica introducida por la lnea 16,
llegando esto a la parte inferior EZ-13 de la columna E-01 y se retira por la lnea 19.
Cabe destacar que ambos pasos de contacto se llevan a cabo en torres alargadas dispuestas verticalmente
llenas de slidos inertes, tales como son los anillos Raschig.
Por qu es importante la torre de lavado?
Se encontr que las prdidas de Ciclohexanona y Ciclohexanol en procesos a altas temperaturas como la
destilacin, son ms bajas si la mezcla de reaccin est en un estado neutro o casi neutro. Es por esto que
el producto se lava con una solucin alcalina DILUIDA antes de la separacin del Ciclohexano, eliminando
solo los cidos disueltos en la mezcla de reaccin sin saponificar los steres de Ciclohexanol.
5.6. Intercambiador de calor C-02
Incrementa la temperatura de los productos que salen del fondo de la columna de lavado por la lnea 19,
utilizando el producto de fondo de la torre E-02 como servicio por el serpentn.
Por qu es importante C-02?
Generar cogeneracin entre los productos de fondo de la torre E-02 y los productos de fondo de la
columna de lavado, es importante ya que producen un ahorro energtico como podra ser en vapor de
agua. Llevando los flujos de la lnea 19 a las condiciones de operacin necesaria para ingresar a la torre de
destilacin E-02.
5.7. Columna de destilacin E-02
En la columna se destila ciclohexano, ciclohexanona y el ciclohexanol de la mezcla azeotrpica con agua.
Los productos de tope salen por la lnea 20 y el exceso de agua que contiene sales de cidos orgnicos sale
por fondo a travs de la lnea 22, siendo estos residuos el flujo de servicio del intercambiador C-02.
Por qu es importante la columna E-02?
Esta cumple un rol importante a la hora de mejorar la eficiencia de la torre de lavado E-01, ya que
mediante el tope logra recuperar los productos originalmente desechados, mejorando la eficiencia del
proceso en general.
5.8. Condensador H-02
Ingresa el producto de tope de la columna E-02 mediante la lnea 20 a altas temperaturas y es enfriada a
las condiciones de operacin de ingreso a la torre de lavado. Equipos que se conectan mediante la lnea 21.
-
Produccin de Ciclohexanol a partir
de hidratacin de Ciclohexano
14
Por qu es importante H-02?
Su funcin es importante, ya que condiciona el flujo a las condiciones de operacin necesaria para hacer
reingreso a la columna E-01.
5.9. Intercambiador de Calor C-03
Este equipo se encarga de elevar la temperatura de la mezcla lavada de ciclohexano-anolone que pasa
por la lnea 18 mediante cogeneracin con los productos de tope de la columna de destilacin E-03 como
flujo de servicio.
Por qu es importante este equipo?
C-03 cumple una funcin de ahorro energtico debido a la cogeneracin que realiza entre los flujos
mencionados, adems de llevar los flujos a las condiciones de operacin necesarias.
5.10. Evaporador H-03
El evaporador H-03 puede ser de pelcula descendente, utilizando vapor como fluido de servicio los que
se transportan por las lneas 24 y 25 respectivamente. Finalmente la fase orgnica vaporizada pasa a la
columna E-03 a travs de la lnea 26.
Por qu es importante este equipo?
Cumple un rol importante al vaporizar la mezcla orgnica, la que una vez volatilizada se destilar ms
rpida y con necesidad de menos energa en la columna de destilacin posterior.
5.11. Columna de destilacin E-03
Una vez que ingresa el producto vaporizado por la lnea 26, la mayor parte de ciclohexano sigue en esta
fase los que salen por el tope de la columna por la lnea 27 camino al intercambiador C-03 y generar la
cogeneracin dada su alta temperatura. Mientras que los componentes anolone y las impurezas se
condensan y son recogidos en la parte inferior de la columna que denominaremos como EZ-31 y salen por
fondo a travs de la lnea 32, desde esta lnea una porcin puede ser reciclada hacia la columna E-03 por la
lnea 33 pasando por el evaporador H-03.
Por qu es importante este equipo?
A travs de este proceso se realiza la primera separacin de productos orgnicos, desplazando de la lnea
principal productos indeseados como es el ciclohexano sin reaccionar, el cual se utiliza como fluido de
servicio en C-03 y posteriormente es devuelto al reactor para su posterior uso. De esta forma mejorando la
eficiencia del proceso, dada la poca conversin inicial.
-
Produccin de Ciclohexanol a partir
de hidratacin de Ciclohexano
15
5.12. Condensador H-04
El condensador H-04 recibe el ciclohexano a menor temperatura proveniente del intercambiador C-03 y
produce la condensacin total de la mezcla. Una parte de este condensado es devuelto como reflujo a la
columna E-03, mientras que el resto se enva por la lnea 30 y pasa por el serpentn del intercambiador C-
01 para enfriar el producto del reactor. Posteriormente utilizado se dirige como materia prima reciclada al
R-01.
Por qu es importante este equipo?
Cumple un rol importante, ya que condensa totalmente la mezcla de ciclohexano para que esta sea
devuelta a la columna de destilacin y la que no lo es, sea utilizada como servicio de enfriamiento en C-01,
para finalmente ser usado en la reaccin de oxidacin primaria.
5.13. Rectificador RE-01
Cumple como funcin limpiar la mezcla de anolone del ciclohexano que an pueda estar presente
mediante agitacin, el que se recicla a la columna de destilacin por la lnea 35. Por otro lado, el
componente anolone y las impurezas pasan desde la parte inferior de RE-01 por las lneas 36 y 37.
Por qu es importante este equipo?
La rectificacin se utiliza porque si se destila el condensado obtenido de una destilacin, se obtiene un
nuevo destilado con un contenido mayor de componentes ms voltiles. Asegurndonos de que la totalidad
de ciclohexano salga por el tope y sea recirculado al reactor R-01, adems de salir de la lnea principal que
contiene anolone e impurezas.
5.14. Evaporador H-05
El evaporador H-05 al igual que el H-03 es de pelcula descendente y utiliza vapor de agua cm fluido de
servicio, el que es suministrado por las lneas 38 y 39 respectivamente. Finalmente la fase orgnica
vaporizada pasa a la columna E-04 a travs de la lnea 37.
Por qu es importante este equipo?
Se encarga de vaporizar la mezcla orgnica que contiene anolone e impurezas, la que una vez volatilizada
se destilar ms rpida y con necesidad de menos energa en la columna de destilacin posterior.
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Produccin de Ciclohexanol a partir
de hidratacin de Ciclohexano
16
5.15. Columna de destilacin E-04
La columna de destilacin E-04 trabaja a presin de vaco. En esta columna el compuesto anolone puro
vaporizado sale por el tope de E-04 por la lnea 42 al condensador H-06. Por el fondo de la columna se hallan
impurezas de ciclohexanol y de ciclohexanona, tales como algunos steres de ciclohexanol, que son
transportados por las lneas 54 y 55 a la columna de saponificacin.
Por qu es importante este equipo?
Mediante esta columna se logra la mezcla de anolone puro, el cual ser separado en ciclohexanol y
ciclohexanona respectivamente.
5.16. Bomba de vaco P-01
Se encarga de generar el vaco en la columna de destilacin E-04. Esta bomba opera a travs de
condensador H-06 y las lneas 40, 41 y 42.
Por qu es importante este equipo?
Genera el vaco necesario en la columna de destilacin E-04 para separar de manera ptima el
compuesto anolone de las impurezas.
5.17. Condensador H-06
El condensador recibe la mezcla de anolone vaporizada proveniente de la columna de destilacin E-04,
transformndola a fase lquida con agua como fluido de servicio y envindola respectivamente al tanque
TK-01 a travs de la lnea 41.
Por qu es importante este equipo?
Cumple la funcin de llevar los compuestos orgnicos a fase lquida para su posterior almacenamiento,
evitando una elevada volatilizacin de este.
5.18. Columna de saponificacin E-05
La mezcla de impurezas de ciclohexanol y ciclohexanona que es transportada mediante la lnea 54 y 55 se
une al agua que ingresa por la lnea 56 y llega a la columna de saponificacin E-05, la que es
preferentemente una columna de tipo cascada que opera a condiciones de ebullicin. En la parte superior
de la columna, la mezcla anolone e impurezas hierve con agua y en la parte inferior se hierve con una mezcla
-
Produccin de Ciclohexanol a partir
de hidratacin de Ciclohexano
17
de soda custica concentrada que es introducida a travs de la lnea 57. Los componentes anolone son
evaporados de la mezcla azeotrpica con agua y salen por la lnea 58 al condensador H-08.
Por la parte inferior de la columna E-05 se saponifican steres de ciclohexanol, donde los jabones
resultantes, mezclados con agua y soda custica, salen por la lnea 60 al tanque de separacin TK-02, donde
los jabones se renen sobre la fase acuosa y se retiran como residuos por la lnea 61. Finalmente la solucin
acuosa del tanque es conducida por la lnea 62 y 59 para su uso en la columna de lavado E-01.
Por qu es importante este equipo?
Esta columna se encarga principalmente de la ltima recuperacin de anolone de la mezcla antes de ser
enviada como residuo, la que es recirculada a un punto antes del separador S-01 mejorando de esta manera
la eficiencia del proceso. Por otra parte, tambin existe una recirculacin del producto custico que se
genera en la saponificacin y que es enviado como a la columna E-01, disminuyendo los gastos en materias
primas.
5.19. Condensador H-08
Este equipo se encarga de condensar la mezcla de anolone proveniente de la columna de saponificacin,
la cual se enfra hasta las condiciones de operacin establecidas para su posterior recirculacin.
Por qu es importante este equipo?
Como se ha mencionado en los condensadores anteriores toma un rol de importancia al llevar la mezcla a
las condiciones de operaciones necesarias para su posterior regreso al proceso, ya que si el producto fuera
recirculado a gran temperatura podra volatilizar la mezcla antes de llegar al separador disminuyendo de
manera drstica la eficiencia del proceso.
5.20. Bomba de vaco P-02
Se encarga de generar el vaco en la columna de destilacin E-06. Opera a travs de condensador H-067 y
las lneas 46 y 49.
Por qu es importante este equipo?
Genera el vaco necesario en la columna de destilacin E-06 para separar bajo especificacin el
Ciclohexanol de la Ciclohexanona.
-
Produccin de Ciclohexanol a partir
de hidratacin de Ciclohexano
18
5.21. Condensador H-07
El condensador recibe el compuesto rico en ciclohexanona vaporizada proveniente de la columna de
destilacin E-06, transformndola a fase lquida con agua como fluido de servicio y envindola
respectivamente al tanque TK-03 a travs de la lnea 46.
Por qu es importante este equipo?
Cumple la funcin de llevar la mezcla rica en ciclohexanona a fase lquida para su posterior
almacenamiento, poniendo fin al proceso de separacin azeotrpica, y regulando el proceso final de
destilacin.
5.22. Evaporador H-09
El evaporador de pelcula descendente H-09 utiliza vapor de agua como fluido de servicio. Este evaporador
recibe el flujo de anolone proveniente del tanque acumulador de tope de la columna E-04 y la entrega
totalmente vaporizada a la columna de destilacin E-06 a travs de la corriente 53.
Por qu es importante este equipo?
Vaporiza la mezcla anolone mejorando la separacin de estos componentes dentro de la columna, ya que
la mezcla volatilizada se destila ms rpidamente.
5.23. Columna de destilacin E-06
A la columna de destilacin E-06 llega la mezcla azeotrpica de ciclohexanol y ciclohexanona, por lo tanto
este equipo es de gran importancia ya que es la ltima etapa de separacin, y es en donde se obtiene
finalmente el producto de inters. En este equipo por la parte del tope de la columna se obtiene
ciclohexanona con una pureza del 90% la cual sale del sistema de separacin por la corriente nmero 49,
mientras que por el tope de la columna se obtiene el ciclohexanol con un pureza aproximada del 98% la
cual ya se encuentra en especificaciones de calidad para poder ser comercializada, esta corriente
corresponde a la nmero 52.
Este equipo trabaja a condiciones de vaco, y con reflujos en el tope y fondo, para lograr mejorar la razn
de separacin ya que al ser una mezcla azeotrpica, se requiera un mayor control de las condiciones de
esta para poder lograr una separacin de una buena eficiencia y llegar a obtener ciclohexanol con un 98%
de pureza.
-
Produccin de Ciclohexanol a partir
de hidratacin de Ciclohexano
19
6. Diagramas de Flujos
Figura 1. PFD Produccin de Ciclohexanol
-
Produccin de Ciclohexanol a partir
de hidratacin de Ciclohexano
20
Figura 1.2. PFD Produccin de Ciclohexanol
-
Produccin de Ciclohexanol a partir
de hidratacin de Ciclohexano
21
Figura 1.1. PFD Produccin de Ciclohexanol
-
Produccin de Ciclohexanol a partir
de hidratacin de Ciclohexano
22
7. Balances
A continuacin se presentan los balances de materia para distintos sectores de la planta,
tanto para corrientes globales como por componente, considerando en este caso, ciclohexano,
ciclohexanol y ciclohexanona.
Reactor:
En esta etapa, se tiene el siguiente esquema:
21
R-01
4
3
5
8
10
La reaccin de oxidacin de Ciclohexano que ocurre en el reactor es la siguiente:
3C6H12 + 3O2r1 2C6H11OH + C6H10O + H2O + O2 + Otros
Balance de masa global.
1 + 2 = 6 + 10
Balance de masa por componente.
Ciclohexano: 10C6H12 ,10 = 11C6H12,1(31)
Ciclohexanol: 10C6H11OH,10 = 1C6H12,1(21)
Ciclohexanona: 10C6H1oO,10 = 1C6H12,1(1)
2
2
2
10
C6H12
C6H11OH
C6H10O
C6H10O4
2
1
C6H12 2
8
2
2
Figura 2. Esquema Reactor R-01
-
Produccin de Ciclohexanol a partir
de hidratacin de Ciclohexano
23
Separador:
Se tiene el siguiente esquema del equipo:
12.bS-01
13
14
cido Adpico
Balance de Masa Global
12. = 13 + 14
Balance de Masa por componente:
Ciclohexano: 12.C6H12 ,12. = 14C6H12,14
Ciclohexanol: 12. C6H11OH,12.b = 14C6H11,14
Ciclohexanona: 12. C6H10O,12.b = 14C6H10,14
cido Adpico: 12. C6H10O4 ,12.b = 14C6H104 ,13
Etapa de Lavado:
17
16
14
H-02E 111
E 121
C-02
E-02
EZ-13
EZ-11
EZ-12
E-01
18
12.
C6H12
C6H11OH
C6H10O
C6H10O4
2
13
C6H10O4
2
14
C6H12
C6H11OH
C6H10O
14
C6H12
C6H11OH
C6H10O
16
NaOH
62
Sales de cido
Orgnico
17
H2
18
C6H12
C6H11OH
C6H10O
Balance de Masa Global
12. = 13 + 14
Balance de Masa por componente:
Ciclohexano: 14C6H12 ,14 = 18C6H12 ,18
Ciclohexanol: 14 C6H11OH,14 = 18C6H11,18
Ciclohexanona: 14 C6H10O,14 = 18C6H10,18
Figura 3. Esquema de Flujos Separador S-01
Figura 4. Esquema de Flujos Etapa de Lavado
-
Produccin de Ciclohexanol a partir
de hidratacin de Ciclohexano
24
Primera etapa de destilacin:
En esta etapa se tiene el siguiente esquema y los siguientes balances de materia:
C-03H-04
H.03
RE-01
EZ-31
E-03
18
36
30
Segunda etapa de destilacin:
Para esta etapa, se cuenta con:
E-04
H-06
TK-01
P-01
39
54
42 41
43
44
40
H-05
36
37
38
Balance de Masa Global
12. = 13 + 14
Balance de Masa por componente:
Ciclohexano:
18C6H12,18 = 30C6H12,30
Ciclohexanol:
18 C6H11OH,18 = 36C6H11,36
Ciclohexanona:
18 C6H10O,18 = 36C6H10,36
18
C6H12
C6H11OH
C6H10O
36
C6H11OH
C6H10O
30
C6H12
Balance de Masa Global
39 = 44 + 54
Balance de masa por componente
Ciclohexanol: 39611,39 = 44611,44
Ciclohexanol 39610,39 = 44610,44
Impurezas: 39 ,39 = 54,54
54
44
611
610
39
611
610
Figura 5. Esquema de Flujos Primera Etapa de Destilacin
Figura 6. Esquema de Flujos, Segunda etapa de Destilacin
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Produccin de Ciclohexanol a partir
de hidratacin de Ciclohexano
25
Saponificacin:
En esta etapa de recuperacin se tiene el esquema siguiente:
I-196
60
H-08
58
57
Agua
TK-0261
E-05
56
Soda Custica
59
54
16
Balance de masa
54 + 56 + 57 = 58 + 60
Balance de masa por componente
Ciclohexanol: 54611,54 = 58611,58
Soda: 57,57 = 60,61
Agua: 562,56 = 582,58 + 602,60
54
56
2
58
611
2
57
60
2
Figura 7. Esquema de Flujos, Etapa de saponificacin
-
Produccin de Ciclohexanol a partir
de hidratacin de Ciclohexano
26
Tercera etapa de destilacin:
Para esta ltima etapa se tiene solo una torre de destilacin:
E-06
H-07
TK-03
P-02
44
52
45 46
47
49
48
RB-01
50
51
Balance de masa global
44 = 49 + 52
Balance de masa por componente
Ciclohexanol: 44611,44 = 52611,52 + 49611,49
Ciclohexanona: 44610,44 = 52610,52 + 49610,49
Las siguientes tablas presentan el resultado de los balances de material obtenidos para el
Ciclohexanol producido a partir de la hidratacin de Ciclohexano en el reactor S-01. Los clculos
realizados son en base a una produccin de 1 [ton/da] de Ciclohexanol.
Tabla 2. Balance del reactor
Reactor R-01 Kg/h Flujo de aire que ingresa al reactor 187,5
Flujo de Ciclohexano que ingresa al reactor 933,08
Flujo de Ciclohexanol en corriente 10 69,57
Flujo de Ciclohexanona en corriente 10 33,32
Flujo de cido adpico en corriente 10 4,81
49
611
610
44
611
610
52
611
610
Figura 8. Esquema de Flujos, Tercera etapa de Destilacin
-
Produccin de Ciclohexanol a partir
de hidratacin de Ciclohexano
27
Tabla 3. Balance del separador
Separador S-01 Kg/h Flujo total que ingresa al separador 958,61
Flujo de Ciclohexanol que abandona el separador 42
Flujo de Ciclohexanona que abandona el separador 26
Flujo de Ciclohexano que abandona el separador 885
Flujo de cido adpico que abandona el separador 5
Tabla 4.Balance de la etapa de lavado
Etapa de lavado Kg/h Flujo de agua que ingresa a la etapa 82
Flujo de Soda custica que ingresa a la etapa 6,8
Flujo de Ciclohexanol que abandona a la etapa 42
Flujo de Ciclohexanona que abandona la etapa 26
Flujo de Ciclohexano que abandona la etapa 785,5
Flujo de sales de cidos orgnicos que abandona la etapa 15
Tabla 5. Balance de la primera etapa de destilacin
Primera etapa de destilacin Kg/h
Flujo total que ingresa a la etapa 864
Flujo de Ciclohexanol que abandona la etapa 41,5
Flujo de Ciclohexanona que abandona la etapa 26
Flujo total que abandona la etapa 76
Flujo de Ciclohexano que abandona la etapa (haca el separador)
788
Tabla 6. Balance de la segunda etapa de destilacin
Segunda etapa de destilacin Kg/h
Flujo total que ingresa a la etapa 76
Flujo de Ciclohexanol que abandona la etapa 41,5
Flujo de Ciclohexanona que abandona la etapa 36
Flujo total que abandona la etapa 76
Tabla 7. Balance de la etapa de saponificacin
Etapa de saponificacin Kg/h
Flujo total que ingresa a la etapa 12,5
Flujo de Ciclohexanol que ingresa a la etapa 0,25
Flujo de Ciclohexanol que abandona la etapa 0,5
Flujo de jabones que abandona la etapa 9
Flujo de soda caustica que ingresa a la etapa 7,2
-
Produccin de Ciclohexanol a partir
de hidratacin de Ciclohexano
28
Flujo de agua adicional que ingresa a la etapa 4
Tabla 8.Balance de la tercera etapa de destilacin
Tercera etapa de destilacin kg/h
Flujo de entrada 67,5
Flujo de entrada Ciclohexanol 41,5
Flujo de entrada Ciclohexanona 26
Flujo de Ciclohexanol tope 2,5
Flujo de Ciclohexanol fondo 38,7
flujo de Ciclohexanona tope 25,2
Flujo de Ciclohexanona fondo 0,6
Tabla 9. Composicin productos finales tercera etapa de destilacin
Composicin de los productos %
Ciclohexanol 98
Ciclohexanona 90
-
Produccin de Ciclohexanol a partir
de hidratacin de Ciclohexano
29
8. Anexos y Referencias
Referencias.
Werner Gey, Hans Dieter Hofmann, United State patents N US3439041 A. 1969.
Michell Montilla P, Destilacin Binaria del Sistema Ciclohexanona-Ciclohexanol, Stgo de Cali, 2011.
Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (6th edition)Wiley-VCH, Weinheim, Germany
(2002).
