Hidrogenación de benceno en fase gaseosa: análisis termodinámico, diseño y evaluación de un sistema reacción-separación/reciclo

Hydrogenation of benzene in gas phase: thermodynamic analysis, design and evaluation of a reaction-separation/recycle system

Se estudia el proceso de hidrogenación de benceno para producir cilohexano en fase gaseosa mediante el análisis termodinámico de la reacción y la evaluación de un sistema con reciclo, para determinar las condiciones de operación que permitan obtener las mejores conversiones y alcanzar estas conversiones haciendo uso de un solo reactor, y no con una batería de reactores en serie como se hace industrialmente. Para el análisis termodinámico se hizo uso de la ecuación de estado cúbica (EEC) de Peng-Robinson [1] y del método de la constante de equilibrio [2]. El sistema reacción separación/reciclo se evaluó con la función de potencial económico [3,4] de acuerdo a los balances del esquema de proceso propuesto. Se determinó que es conveniente trabajar a presión atmosférica, bajas temperaturas de reacción y una relación de alimentación (hidrógeno/benceno) de cuatro para obtener conversiones cercanas al 100%. En cuanto al sistema con recirculación de reactivo no convertido se obtuvo que mejora la conversión global del proceso y mantiene mejores potenciales económicos en cualquier grado de conversión que un sistema sin recirculación.

La producción de ciclohexano mediante la hidrogenación de benceno es una de las reacciones de hidrogenación de compuestos aromáticos más importantes usadas industrialmente [5], y es bastante común que este sea un subproceso en una refinería. 

Es importante tener en cuenta que el ciclohexano industrialmente se obtiene de dos procesos diferentes. La primer proceso de obtención es mediante la extracción de corrientes de petróleo crudo (con un contenido de ciclohexano de 1% a 2%) donde la pureza del ciclohexano obtenido está entre 98% y 99% y la segundo proceso es por hidrogenación de benceno donde la pureza minima es del 99.9% en peso [6]. El primer proceso mencionado tiene el problema de que contiene impurezas de azufre (procedentes del crudo) y que son bastante difíciles de eliminar, lo que impide obtener altas purezas. Algo similar ocurre con el benceno que se usa en las refinerías como materia prima para la segunda forma de obtención de ciclohexano, ya que este benceno contiene trazas de azufre que envenenan al catalizador usado en este proceso [7], por lo que se debe implementar un sistema de reactivación del catalizador que implica un costo adicional. 

La mayor cantidad del cilcohexano se obtiene por hidrogenación de benceno. Debido a esto se estudia en este artículo esta forma de proceso. El 90% del ciclohexano producido que se obtiene por hidrogenación de benceno es utilizado en los procesos de producción de nylon 6 y nylon 66 (5,8], aunque también se utiliza para producir ésteres, plastificantes, lubricantes sintéticos, poliuretanos y como acidulante alimenticio [6], pero las cantidades de ciclohexano total producido en el mundo destinado a estos usos es baja. 

Se sabe que el proceso industrial para obtener ciclohexano por hidrogenación de benceno utiliza varios reactores en serie para poder obtener conversiones cercanas al 99%, y esto se podría evitar haciendo uso de una corriente de recirculación de producto no convertido, utilizándose así un solo reactor y obteniéndose conversiones globales altas, sin embargo también hay que tener en cuenta cuales son las condiciones de operación que favorecen la reacción termodinámicamente, y operar a estas condiciones. 

En el sistema se tienen tres componentes, una reacción química independiente y una sola fase (gaseosa), para lo cual los grados de libertad son tres. Se especifican siempre la presión y la temperatura. También se especifica la composición de una manera indirecta mediante los flujos y la relación de alimentación que más adelante se define. Con estas variables especificadas se calculan, el calor de reacción, el cambio en la energía libre Gibbs y la conversión en el equilibrio utilizando el método de la constante. 

Ya obtenido esto se analiza cuáles son las condiciones que favorecen el sistema para obtener las mejores conversiones. Ahora se plantea la recirculación de una corriente de producto no convertido, y se evalúa mediante la función de potencial económico para determinar la viabilidad de esta recirculación.