Diseño y evaluación económica de procesos de producción de miristato de isopropilo
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Resumen
El miristato de isopropilo (IPM) es un éster graso ampliamente utilizado en la industria cosmética y de fragancias debido a sus propiedades como emoliente y lubricante. Este se produce por esterificación de ácido mirístico (MA) con isopropanol (IPA) utilizando catalizadores heterogéneos y homogéneos ácidos y generando agua (W) como subproducto. Por su gran importancia industrial se han evaluado diferentes tecnologías para superar algunos retos en su manufactura. En el proceso se debe favorecer la compatibilidad entre los reactivos debido a que el MA es sólido por debajo de 54 °C y por la solubilidad limitada del MA en IPA. Adicionalmente, estos componentes forman dos fases líquidas, y como en la mayoría de las esterificaciones, la conversión de la reacción está limitada por el equilibrio químico. Como resultado, generalmente se usa IPA en exceso, pero su recuperación y recirculación es compleja, porque forma una mezcla azeotrópica con W. Además, la separación del MA no convertido generalmente se realiza por neutralización, generando residuos y aminorando la eficiencia del proceso, o por destilación fraccionada a alto vacío, resultando en altos costos. Sumado a lo anterior, la reacción se lleva a cabo a altas temperaturas para acelerar la cinética, pero esto puede dar lugar a reacciones colaterales (e.g. eterificaciones del IPA).
Para superar los distintos retos se han propuesto diferentes configuraciones para la esterificación continua de ácidos grasos con alcoholes de bajo punto de ebullición. Entre estas se encuentra el uso de un sistema conformado por reactor(es) acoplados con decantador(es), reactor(es) acoplados con condensador(es), reactor acoplado con columnas de fraccionamiento, reactores seguidos de trenes de separación, y procesos híbridos e intensificados como la destilación reactiva y la destilación reactiva-extractiva. Aunque existen diversas opciones intensificadas para la producción de IPM, aun no se ha desarrollado una comparación sistemática para identificar cuál podría ser la más apropiada para implementar a nivel industrial. En este trabajo se realiza una evaluación sistemática de configuraciones clásicas e intensificadas para la producción de IPM. Esta evaluación se realizó utilizando modelos termodinámicos y cinéticos validados, y a través de simulación en estado estacionario utilizando Aspen Plus V.14. Inicialmente se desarrolló un análisis sobre el sistema de purificación de la mezcla IPA+W el cual es requerido para separar el exceso de alcohol presente en la mayoría de los procesos. De la revisión y valoración multicriterio, se encontró que el proceso más adecuado es la destilación extractiva con pared divisoria utilizando etilenglicol como agente. Dicho proceso se acopló a las diferentes configuraciones evaluadas, las cuales se compararon con base en criterios económicos. Como resultado se encontró que la configuración más adecuada para la manufactura del IPM es la destilación reactiva para la cual se identificaron las condiciones óptimas de operación. El proceso óptimo podrá ser utilizado como punto de referencia para futuras evaluaciones de procesos intensificados para la producción de IPM. (Texto tomado de la fuente)
Abstract
Isopropyl myristate (IPM) is a fatty ester widely used in the cosmetics and fragrance industries due to its emollient and lubricating properties. It is produced by the esterification of myristic acid (MA) with isopropanol (IPA) using heterogeneous and homogeneous acid catalysts, generating water (W) as a byproduct. Due to its significant industrial importance, various technologies have been evaluated to overcome some manufacturing challenges. Compatibility between the reactants must be favored in the process because MA is solid below 54 °C and because of its limited solubility in IPA. Additionally, these components form two liquid phases, and as with most esterifications, the reaction conversion is limited by chemical equilibrium. As a result, IPA is generally used in excess, but its recovery and recirculation are complex because it forms an azeotropic mixture with W. Furthermore, the separation of unconverted MA is generally carried out by neutralization, generating waste and reducing process efficiency, or by high-vacuum fractional distillation, resulting in high costs. In addition, the reaction is conducted at high temperatures to accelerate the kinetics, but this can lead to side reactions (e.g., etherification of IPA).
To overcome the various challenges, different configurations have been proposed for the continuous esterification of fatty acids with low-boiling alcohols. These include the use of a system consisting of reactor(s) coupled with decanter(s), reactor(s) coupled with condenser(s), reactor coupled with fractionation columns, reactors followed by separation trains, and hybrid and intensified processes such as reactive distillation and reactiveextractive distillation. Although several intensified options exist for IPM production, a systematic comparison to identify the most appropriate for industrial-scale implementation has not yet been developed. This work presents a systematic evaluation of classic and intensified configurations for IPM production. This evaluation was performed using validated thermodynamic and kinetic models and under steady-state simulation using Aspen Plus V.14. An initial analysis was conducted on the purification system for the IPA+W blend, which is required to separate the excess alcohol present in most processes. The review and multi-criteria evaluation determined that the most suitable process is extractive distillation with a dividing wall using ethylene glycol as the filtering agent. This process was then adapted to the different configurations valuated, which were compared based on economic criteria. The results showed that reactive distillation is the most suitable configuration for IPM manufacturing and the optimal conditions were identified. This optimal process can be used as a benchmark for future evaluations of intensified processes for IPM production.
Descripción
ilustraciones a color, diagramas, tablas