PRODUCCIÓN DE ETANOL A PARTIR DE LA CAÑA DE

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1 PRODUCCIÓN DE ETANOL A PARTIR DE LA CAÑA DE AZÚCAR INITE, S.C. no es responsable del contenido, de la veracidad de los datos, opiniones y acontecimientos vertidos en el presente proyecto. La finalidad del presente es el desarrollo de competencias y es un material para discusión con efectos didácticos.

2 Metodología de aprendizaje basado en proyectos Qué es un proyecto? Un proyecto es un conjunto de acciones planificadas que ayudan a resolver problemas, necesidades o inquietudes. Está constituido por fases y productos. Fases de un proyecto Una fase es un conjunto de actividades relacionadas con un objetivo en el desarrollo del proyecto. Se construye agrupando tareas (actividades elementales) que pueden compartir un tramo determinado del tiempo de vida de un proyecto. La agrupación temporal de tareas impone requisitos del mismo tipo correspondientes a la asignación de recursos (humanos, financieros o materiales). Cuanto más grande y complejo sea un proyecto, mayor detalle se necesitará en la definición de las fases para que el contenido de cada una siga siendo manejable. De esta forma, cada fase de un proyecto puede considerarse un microproyecto en sí mismo, compuesto por un conjunto de microfases. Entregables o productos Son los productos intermedios que generan las fases. Pueden ser materiales (componentes, equipos) o inmateriales (documentos, software). Los entregables permiten evaluar la marcha del proyecto mediante comprobaciones de su adecuación o no a los requisitos funcionales y de condiciones de realización previamente establecidos. Cada una de estas evaluaciones puede servir, además, para la toma de decisiones a lo largo del desarrollo del proyecto. 2

3 Introducción El consumo actual de azúcar en la industria alimenticia ha disminuido debido al uso de edulcorantes artificiales como la fructuosa, los cuales tienen un costo de producción más bajo que la glucosa y por su composición química el organismo humano la degrada más fácilmente que la glucosa tradicional. Esta situación ha generado excedentes de caña de azúcar a nivel nacional, que podrían aprovecharse en la producción de etanol, que puede utilizarse como sustituto del antidetonante utilizado actualmente en la formulación de las gasolinas. El metil terbutil éter o 2-metoxi-2-metilpropano (MTBE) es un producto químico con fórmula molecular C5H12O, que se utiliza para aumentar el octanaje de las gasolinas, mejorar la combustión y reducir las emisiones de monóxido de carbono a la atmósfera en aproximadamente 10%; es un compuesto muy lábil, altamente volátil, soluble en agua, y no presenta coloración. Al evaporarse la gasolina, en las estaciones de servicio o en los puntos de almacenamiento, ésta arrastra al MTBE a la atmósfera diluyéndose en el vapor de agua de las nubes, que cuando se precipita como lluvia contamina los mantos acuíferos. La contaminación con MTBE también puede darse por fugas o derrames en los sistemas de almacenamiento y transporte. El MTBE tiene una muy baja afinidad por el carbono orgánico, por lo que prácticamente no lo absorbe la materia orgánica del suelo, presenta también un coeficiente de retardación muy bajo, esto indica que se desplaza prácticamente junto con el agua, por lo que casi no se encuentra como contaminante en el suelo sino en el agua, convirtiéndose en un producto residual con escasa potencialidad para su degradación natural. Actualmente más de once estados de la Unión Americana han prohibido el uso de MTBE sustituyéndolo por etanol. 3

4 México, por responsabilidad social, también debería sustituir en la formulación de las gasolinas el MTBE por etanol que es un compuesto menos contaminante y más amigable con el medio ambiente. El en el presente proyecto se desarrollará el balance de energía en una planta productora de etanol a partir de caña de azúcar, buscando lograr los siguientes objetivos: 1. Realizar el balance de energía para diseñar los equipos dinámicos de la planta (bombas y compresores). 2. Cuantificar los requerimientos de agua de enfriamiento, vapor u otros servicios auxiliares para la operación de la planta. 3. Determinar el calor generado en la reacción. 4. Proponer la optimización del proceso a través del intercambio de calor entre las corrientes de proceso. 4

5 Planeación Planta elegida. Producción de etanol a partir de la caña de azúcar El proyecto inicia desde la búsqueda del proceso y el análisis del entorno internacional de los biocombustibles, esto con el propósito de contextualizar al alumno en una situación real y definir la capacidad de la planta. El proyecto se desarrollará por secciones, las cuales se entregarán con base en los temas revisados en clase, básicamente se realizarán balances de energía mecánica para calcular el trabajo y la potencia de los equipos de proceso (bombas y turbinas), y balances de energía térmica para determinar la cantidad de calor liberado o requerido en el proceso; balances de materia y energía en la torre de enfriamiento de agua para recircular el agua al proceso, balances de energía generada o requerida en las reacciones químicas generadas al fermentar el azúcar a alcohol y balance de energía en los evaporadores de la planta, para determinar la cantidad de calor requerida en los evaporadores (tachos) para producir el azúcar. Finalmente se integrarán estos balances con los de materia para obtener las cantidades de agua o vapor (servicios auxiliares) que se requieren en el proceso y se determinará el costo que implicaría el pago de la energía eléctrica si se le comprara a la Comisión Federal de Electricidad (CFE) en lugar de generarla. Para desarrollar el proyecto los alumnos deberán: a) Integrarse en equipos. b) Definir un nombre y un logo para identificar al equipo de trabajo. c) Realizar el diagrama de Gantt del proyecto para identificar las actividades a realizar, fechas de inicio y entrega de las secciones del proyecto. El docente facilitará a los alumnos el calendario de solicitud y la entrega de las secciones del proyecto. d) Investigar en la bibliografía la información faltante para el desarrollo del proyecto (las propiedades fisicoquímicas del etanol, las estadísticas de las importaciones de 5

6 los compuestos base para formular gasolinas [como el MTBE], reformado catalítico, gasolina de alto octanaje, etcétera). e) Elaborar los productos solicitados en cada sección del proyecto. f) La entrega de las secciones parciales del proyecto deben incluir la memoria de cálculo de los balances realizados (el docente especificará el formato de entrega). g) Realizar las correcciones indicadas por el profesor en las retroalimentaciones parciales o en las sesiones plenarias. h) Integrar el proyecto final incluyendo todas las secciones anteriores corregidas de acuerdo con la retroalimentación que el profesor proporcione. Se anexarán las memorias de cálculo de todo el proyecto. El profesor especificará las características del proyecto final. i) Realizar una presentación final del proyecto terminado. j) Realizar una autoevaluación del aprendizaje logrado. 6

7 Implementación El proyecto se realizará a través de las siguientes secciones: Sección Concepto Unidad de referencia 1 Elaboración del diagrama de flujo de la planta. 1 y 2 2 Balance de energía mecánica en la planta de etanol. 3 3 Balance de energía térmica de la planta de etanol Balances de materia y energía para calcular los servicios auxiliares en la torre de enfriamiento de la planta de etanol. Balances de materia y energía en evaporadores y mezcladores de la planta de etanol. Balance de energía en el fermentador de la planta de etanol Integración final del proyecto. 8 Desarrollo de la sección uno: Proceso de producción de alcohol a partir de la caña de azúcar. La primera sección del proyecto permitirá a los alumnos conocer el consumo nacional de gasolinas, la composición de éstas y la cantidad de MTBE utilizado para formular las gasolinas, lo anterior con el fin de definir la cantidad de etanol que se requiere producir y en consecuencia saber la capacidad de la planta (Memorias laborales de Petróleos Mexicanos [PEMEX], Anuario estadístico de la industria química [ANIQ]). Para iniciar el proyecto deben conocerse los tratamientos que se le dan a la caña para producir azúcar y los procesos subsecuentes que se le darán a los residuos para obtener el etanol, para esto se realizará una búsqueda bibliográfica o electrónica del diagrama de flujo de la planta y la descripción del proceso de la producción de etanol a partir de la 7

8 caña de azúcar, para conocer de manera general la secuencia del proceso y los equipos involucrados en él. 1 Una vez que se tiene el diagrama de flujo, se especificarán los equipos que involucran absorción, desprendimiento, intercambio o requerimiento de energía a través del análisis del servicio que presta cada equipo del proceso; la modificación en las variables de operación, como son la temperatura, la presión y el calor, se llevará a cabo de acuerdo con lo revisado en la unidad 1 y 2 del temario de la asignatura con el fin de identificar los equipos a los cuales se les realizará el balance de energía. Productos a entregar Diagrama de flujo del proceso. Descripción del proceso. Capacidad de la planta y la justificación de la capacidad seleccionada. Diagrama de flujo del proceso de la planta identificando con color los equipos que requieren, liberan o intercambian energía. Desarrollo de la sección dos: Balances de energía mecánica en la planta de etanol En esta sección se realizará el balance global de materia y el balance de energía mecánica de las bombas y compresores del proceso para determinar el trabajo y la potencia de estos equipos. Es importante mencionar que sólo se calcularán dos bombas y un compresor de la línea de proceso, por lo que el equipo de trabajo deberá seleccionar las bombas y el compresor que diseñarán, pueden ser, por ejemplo, las bombas del fermentador, las bombas de alimentación de agua al proceso, la bomba de etanol a tanque de almacenamiento, etc. El 1 Austin, Shreve s. Chemical Process Industries, Kirk Othmer. Enciclopedia de procesos químicos. 8

9 balance mecánico de los compresores se puede realizar en el compresor de aire de instrumentos, el ventilador de la torre de enfriamiento, etcétera. Ecuación del balance de energía: H + E K + E P + P ρ = Q W Donde: H : Diferencia de entalpías entre los puntos de análisis. E K : Diferencia de energía cinética. E P : Diferencia de energía potencial. P : Diferencia de presiones. ρ : Densidad Ecuación del balance de energía desarrollada: 2 V2 V1 (Z2 Z1)g P2 P1 (H2 H1) = Q 2g g ρ c 2 c W Donde: H : Entalpía. V : Velocidad. Z: Altura. Q : Calor. W : Trabajo. ρ: Densidad. g : Aceleración. g : Constante de proporcionalidad. c Productos a entregar Balance de materia de la planta. Especificaciones técnicas de las bombas y el compresor que calcularon. 9

10 Tabla de resultados que incluya el fluido y las principales propiedades fisicoquímicas utilizadas en los cálculos de las bombas y el compresor, el flujo volumétrico, el trabajo y la potencia de los equipos calculados, así como las bases de diseño que consideraron para realizar el balance de energía (por ejemplo alturas de equipos, purezas de las sustancias para calcular entalpías, etcétera). Memoria de cálculo del balance de energía de las bombas y el compresor calculado. Desarrollo de la sección tres: Balance de energía térmico de la planta de etanol En esta sección se aplicarán los conocimientos de balances de energía en los procesos de transferencia de calor revisados en la unidad cuatro del temario de la asignatura, para lo cual se seleccionarán tres intercambiadores de calor de la planta de etanol. El primero, será un intercambiador de calor que utilice agua como medio de enfriamiento, el segundo, un intercambiador de calentamiento con vapor y el tercero tendrá un intercambio de calor fluido de proceso (fluido de proceso para realizar el balance térmico de la planta de etanol). Adicionalmente se calculará el ahorro económico (en pesos) de la energía aprovechada con el intercambio de calor entre corrientes de proceso. Para la secuencia de cálculo revisar la siguiente página web: Para realizar sus cálculos deberán buscar los datos de capacidades caloríficas, calores específicos, latentes y entalpías de los fluidos involucrados en la transferencia de calor.en referencias bibliográficas como son el Manual del Ingeniero Químico de Perry y Chilton, McGraw-Hill; o el libro de Transferencia de calor de Donald Kern, CECSA, El docente especificará las temperaturas de entrada y salida del agua para el enfriador y la calidad del vapor para el calentador. El ahorro de energía se evaluará en función del costo de la energía eléctrica cotizada por la CFE ( el docente definirá la zona y hora para especificar la tarifa por KWatt-hr. 10

11 Ecuaciones del balance térmico: Q Q Q = = = m H mc T mλ p Donde: Q : Calor. m : Masa. H : Diferencia de entalpías. T : Diferencia de temperaturas. λ : Calor latente. C : Capacidad calorífica. P Productos a entregar Tabla de resultados obtenidos en donde se especifique el intercambiador seleccionado, los fluidos involucrados en el intercambio de calor y las temperaturas de entrada y salida del intercambiador, la carga térmica involucrada y las propiedades fisicoquímicas de los fluidos de proceso utilizadas. Balance de energía y cálculo de la masa de agua requerida para el enfriador. Balance de energía y cálculo de la masa de vapor requerida para el enfriador. Balance de energía para determinar la energía ahorrada por intercambio de calor entre corrientes de proceso. Monto del ahorro por intercambio de calor entre corrientes de proceso. 11

12 Desarrollo de la sección cuatro: Balances de materia y energía para calcular los servicios auxiliares en la torre de enfriamiento de la planta de etanol En esta sección se realizará el balance de energía en el proceso de humidificación de aire que se lleva a cabo en la torre de enfriamiento, para lo cual se requerirá utilizar la carta psicrométrica y los conocimientos adquiridos en la unidad cinco. El equipo de trabajo calculará: a) El agua de enfriamiento requerida en los intercambiadores de calor involucrados en el proceso. b) El aire requerido en la torre de enfriamiento. Para realizar el balance de energía es necesario que el profesor especifique las temperaturas de entrada y salida del agua de enfriamiento, así como la presión y temperatura del aire. Para realizar el balance de energía en la torre de enfriamiento, los alumnos obtendrán las propiedades fisicoquímicas del aire y agua y la carta psicrométrica en las siguientes referencias bibliográficas: Himmelblau, David, Principios básicos y cálculos en ingeniería química, o Perry, Manual del ingeniero químico. Ecuación del balance de energía: Q Q = m H = mc P T Donde: Q : Calor. m : Masa. H : Diferencia de entalpías. T : Diferencia de temperaturas. C : Capacidad calorífica. P 12

13 Productos a entregar Tabla de resultados en donde se describan las propiedades fisicoquímicas del aire y agua requeridas en el balance de calor, la carga térmica involucrada en la torre de enfriamiento y la cantidad de aire calculada. Balance de materia y energía en la torre de enfriamiento. Desarrollo de la sección cinco: Balances de materia y energía en evaporadores y mezcladores de la planta de etanol El equipo de trabajo elaborará el balance de materia y energía del tren de evaporación de la planta de etanol. En esta sección del proyecto, los alumnos realizarán el balance de energía en la operación de evaporación y calcularán la cantidad de vapor de calentamiento requerida para lograr la evaporación del agua en el proceso de acuerdo con los conocimientos revisados en la unidad seis del temario de la asignatura. Para realizar los balances, el profesor especificará la calidad del vapor y los alumnos obtendrán de la bibliografía (Felder, Richard M., Principios elementales de los procesos químicos, o de Perry, Manual del ingeniero químico) las tablas de vapor para calcular la masa de vapor y la carga térmica de los evaporadores. Ecuación del balance de energía en evaporadores: Q = m H Donde: Q : Calor. m : Masa. H : Diferencia de entalpías. 13

14 Productos a entregar Tabla de resultados que incluya el tipo de vapor utilizado, las propiedades fisicoquímicas utilizadas en los cálculos, la carga térmica de los evaporadores y la cantidad de vapor requerida en esta sección del proceso. Memoria de cálculo del balance de materia y energía en los evaporadores de la planta. Desarrollo de la sección seis: Balance de energía en el fermentador de la planta y mezcladores de etanol Los alumnos calcularán el calor de reacción generado en el fermentador de la planta, utilizando los calores estándares de formación reportados en la bibliografía (Himmelblau, David, Principios básicos y cálculos en ingeniería química o Perry Manual del ingeniero químico) considerando la estequiometría de la reacción con el fin de determinar la cantidad de energía liberada o absorbida en el fermentador, considerando al fermentador como un reactor químico ideal, este balance de energía se sustentará con los contenidos revisados en la unidad siete del temario de la asignatura. El algoritmo de cálculo en un sistema con reacción química se describe en la página: y Ecuaciones para evaluar el calor de reacción: H reacción = H fproducto H freactivo Donde: H : Calor de reacción H f : Entalpía de formación 14

15 Productos a entregar Tabla de resultados que incluya los calores estándares de formación de reactivos y productos del fermentador, la especificación del tipo de reacción y el calor involucrado en la reacción. Balance de materia y energía en el fermentador. Desarrollo de la sección siete: Integración del proyecto final Los alumnos realizarán un reporte gerencial que incluya la justificación del proyecto, las tablas de resultados y memorias de cálculo de los balances de materia y energía corregidas de acuerdo con las recomendaciones o sugerencias dadas por el profesor en las sesiones plenarias o retroalimentación de equipo; las conclusiones del equipo, la justificación de la elaboración de este proyecto y finalmente alguna propuesta o recomendación para mejorar el proyecto o su aplicación en el entorno social. Producto a entregar Carpeta o engargolado que contenga: Carátula. Reporte gerencial que incluya la justificación de proyecto. Tablas de resultados obtenidas en cada sección. Memorias de cálculo de los balances de materia y energía de las secciones del proyecto. Conclusiones. Propuesta de mejora al proyecto o de aplicación en el entorno social. 15