Destilación extractiva de hidrocarburos aromáticos de corrientes de refinería con líquidos iónicos como agentes másicos de separación

Resumen

El benceno, el tolueno y los tres isómeros del xileno, conocidos comúnmente como fracción BTX, presentan una gran relevancia en la industria petroquímica debido a su extenso abanico de aplicaciones. Sus principales fuentes de obtención son las gasolinas de reformado y pirólisis donde se encuentran mezclados con otros hidrocarburos de naturaleza no aromática, principalmente parafinas y naftenos, con los que forman mezclas azeotrópicas que impiden su separación mediante destilación convencional. Por ello, se recurre a técnicas como la destilación extractiva, siendo el proceso Morphylane el más extendido en la industria actualmente para obtener aromáticos de gasolinas con un contenido en estos hidrocarburos superior al 65 %. Sin embargo, este proceso presenta diversas desventajas derivadas del empleo de un compuesto orgánico volátil, la N-formilmorfolina, como agente másico de separación: se debe eliminar la fracción C8+ de la gasolina antes de alimentarla a la columna de destilación extractiva, así como recuperar la N-formilmorfolina arrastrada en el destilado, etapas que, junto con la separación de los aromáticos del agente másico, suponen un gran consumo energético. En este sentido, la sustitución de la N-formilmorfolina por líquidos iónicos se ha establecido como una de las líneas de investigación que mayor interés ha despertado en los últimos años. Los líquidos iónicos son compuestos formados exclusivamente por iones que presentan un punto de fusión inferior a 373 K. Su prácticamente nula presión de vapor y la posibilidad de diseñar sus propiedades físicas y extractivas combinando un gran número de iones diferentes les confieren un gran potencial para ser empleados como agentes másicos en procesos de separación de hidrocarburos aromáticos. En consecuencia, el objetivo de esta tesis doctoral es estudiar el empleo de los líquidos iónicos como agentes másicos de separación en la destilación extractiva de hidrocarburos aromáticos de dos corrientes originadas en el craqueo térmico de la producción de olefinas, denominadas en este trabajo como gasolina de pirólisis y nafta hidrogenada de pirólisis. Para ello, en primer lugar, se determinó la volatilidad relativa n-heptano/tolueno y metilcicloalcano/benceno proporcionada por un grupo de once líquidos iónicos a diferentes condiciones de equilibrio, seleccionándose el emimTCM y el 4bmpyTCM como los más adecuados para la separación de la fracción BTX de la gasolina de pirólisis, y el emimSCN y el emimDCA para la destilación extractiva de benceno de la nafta hidrogenada de pirólisis. A continuación, se determinaron los equilibrios líquido-vapor y líquido-líquido-vapor de los sistemas binarios {hidrocarburo + líquido iónico} y de los sistemas ternarios {alifático/metilcicloalcano + aromático + líquido iónico} con los componentes de ambas corrientes y los cuatro líquidos iónicos seleccionados, a diferentes temperaturas y relaciones disolvente/alimento. Los datos de equilibrio de los sistemas binarios se ajustaron con la ecuación de estado CPA, empleada a continuación para predecir con precisión y robustez los equilibrios líquido-líquido-vapor de los sistemas ternarios. Finalmente, se empleó el modelo COSMO-SAC para simular de forma rigurosa el proceso de destilación extractiva de BTX de la gasolina de pirólisis con emimTCM, así como el proceso Morphylane, empleándose la ecuación CPA para validar los resultados obtenidos con el modelo predictivo. La sustitución de la N-formilmorfolina por el emimTCM dio lugar a una disminución de los costes de operación, aunque el inmovilizado resultó ser mayor que en el proceso convencional. Sin embargo, la principal ventaja que ofrece el emimTCM es que permitió incorporar la fracción pesada de la gasolina de pirólisis a la destilación extractiva, eliminando la columna de destilación previa, lo que dio lugar a una drástica reducción de los costes de operación e inmovilizado en comparación con aquellos obtenidos en el proceso convencional Morphylane.