27. PLANTA DE PRODUCCIÓN DE ETANOL

Transcripción

1 27. PLANTA DE PRODUCCIÓN DE ETANOL 1. OBJETIVOS 1.1. Determinar los grados de libertad requeridos para una especificación completa de diversas columnas de absorción y destilación 1.2. Aplicar un modelo de actividad para un manejo real del comportamiento de una mezcla 1.3. Simular un tren de columnas de separación para la obtención de etanol a partir de producto de un proceso de fermentación 2. PROCESO ESTUDIADO Típicamente, un proceso de fermentación para la producción de etanol produce, principalmente, etanol mas pequeñas cantidades de otros productos como metanol, 1- propanol, 2-propanol, 1-butanol, 3-metil-1-butanol, 2-pentanol, ácido acético y CO 2. En este proceso se toma esta mezcla y se somete a una separación de fases isotérmica para, inicialmente, separar el bióxido de carbono del alcohol. Columna de absorción simple (Lavadora) La corriente en fase vapor, y con un gran contenido de bióxido de carbono, arrastra algo de etanol y, por tal razón, es lavada con agua en una columna de absorción simple donde se recupera algo de etanol, que es recirculado nuevamente al fermentador y el vapor rico en bióxido de carbono se ventea. Una columna de absorción simple con N etapas de equilibrio y C componentes requiere de la especificación de un número de grados de libertad dado por G = 2 C + 2N + 7 (27.1) Si se especifican las dos corrientes de entrada y se admiten las 2N especificaciones sugeridas por el simulador, el número de especificaciones requeridas para una simulación completa de este tipo de columna es de tres Columna de absorción con producto lateral (Concentradora) La corriente en fase líquida que emerge del separador de fases contiene el etanol que se quiere recuperar mediante un tren de columnas de separación. Inicialmente, dicha corriente es alimentada a una columna de absorción con una corriente de producto lateral en la cual los dos productos superiores son concentrados en alcohol y el producto de fondo es esencialmente agua. Una columna de absorción de este tipo con N etapas de equilibrio y C componentes requiere de la especificación de un número de grados de libertad dado por

2 G = 2 C + 2 N + 9 (27.2) Si se especifican las dos corrientes de entrada y se admiten las 2N especificaciones sugeridas por el simulador, el número de especificaciones requeridas para una simulación completa es de cinco Columna de absorción con reflujo y condensador parcial (Purificadora) El producto en forma de vapor y mas concentrado en etanol que se obtiene en la columna anterior es alimentado a una columna de absorción con reflujo con el objeto de purificarlo separándolo de los livianos como el bióxido de carbono y el metanol, los cuales son venteados. El fondo de esta columna es una solución acuosa concentrada en etanol que se alimentará a una columna de destilación Una columna de absorción de con condensador parcial y reflujo con N etapas de equilibrio y C componentes requiere de la especificación de un número de variables dado por la expresión G = C+2 N +8 (27.3) Si se especifica la corriente de entrada y se admiten las 2N especificaciones sugeridas por el simulador, el número de especificaciones requeridas para una simulación completa es de seis Columna de destilación con dos alimentos y dos productos laterales (Rectificadora) La corriente de vapor lateral de la columna de absorción con producto lateral y el producto de fondo de la columna de absorción con reflujo se alimentan a una columna de destilación cuyo propósito es hacer una rectificación y obtener una solución acuosa de etanol azeotrópico con presencia en muy bajas concentraciones de otros componentes como el bióxido de carbono y el metanol. Este producto es el que se recoge a partir del plato 2 de la columna. Los otros cuatro productos son mezclas de composiciones diferentes. Un aspecto interesante, es la concentración de alcoholes pesados en el interior de estaa columna. Estos alcoholes son normalmente denominados como Fusel Oils, y pequeñas corrientes de líquido son acondicionadas en la columna para recuperar a estos componentes. Una columna de destilación de este tipo con N etapas de equilibrio y C componentes requiere de la especificación de un número de variables dado por la expresión G = 2 C + 2N + 18 (27.4) 180

3 Si se especifican las dos corrientes de entrada y se admiten las 2N especificaciones sugeridas por el simulador, el número de especificaciones requeridas para una simulación completa es de catorce El diagrama de flujo final del proceso descrito para la producción de etanol a partir de un producto de una fermentación se muestra en la Figura PAQUETE FLUIDO Figura 1. Planta para producción de etanol 1. Ecuación: Un modelo de actividad (a excepción del modelo de Wilson, que no puede predecir dos fases líquidas) puede utilizarse para resolver esta simulación. Seleccione el NRTL. Sobre la pestaña Binary Coeffs de la ventana de propiedades del paquete fluido utilice el método de estimación UNIFAC VLE y presione el botón Unknowns Only para estimar los coeficientes binarios omitidos. 2. Componentes: Etanol, agua, CO 2, metanol, ácido acético, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 3-metil-1-butanol, 2 pentanol y glicerol 4. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO 1. Instale las siguientes corrientes con las especificaciones mostradas a continuación: Nombre A F S Temperatura (C) Presión (kpa) Flujo (kgmol/h) Flujo Másico (kg/h)

4 Composición (Fracción Mol) Etanol Agua Bióxido de carbono Metanol Acido acético Propanol Propanol Butanol Metil-1-Butanol Pentanol Glicerol Separador de fases 2. Instale un separador de fases, asígnele como nombre V-100. Aliméntelo con la corriente F y denomine como V a la corriente que emerge como vapor y como L a la corriente de líquido. En este separador además de separar las fases, se elimina el bióxido de carbono Columna lavadora 3. Para el lavado de la corriente V, instale una columna de absorción simple y denomínela T-100. En esta columna se agotará el etanol arrastrado por la corriente V y se producirá un vapor de cabeza de bióxido de carbono esencialmente puro. El producto de fondos es recirculado al proceso de fermentación. 4. Mediante el asistente especifique a la columna T-100 como se observa en la ventana de propiedades mostrada en la Figura 2. Recuerde que este tipo de columna requiere de tres especificaciones Columna Concentradora 5. Para la operación de concentración del fondo de la corriente L, instale una columna de absorción simple con el nombre de T-101 y conéctele una corriente lateral de vapor con el nombre V2. Las temperaturas en el tope y en el fondo son 90 C y 110 C, respectivamente. Especifique sus conexiones y especificaciones como lo muestra la Figura 3. Recuerde que este tipo de columna requiere de cinco especificaciones 6. Complete la instalación de la columna introduciendo las siguientes especificaciones 1. Comp Recovery Active V2 SpecValue 0.95 Component Ethanol 182

5 Figura 2. Columna lavadora de bióxido de carbono 2. Rate 1 Estimate V2 Mass 5000 kg / h 3. Rate 2 Estimate V kgmole / h Figura 3. Columna concentradora 183

6 Presione el botón Run, si es necesario, en la ventana de propiedades de la columna, para calcular las corrientes de productos de la columna Concentradora Columna Purificadora 7. Para la purificación de los vapores V1, instale una columna de absorción con reflujo con el nombre de T-102 y especifíquela como se observa en la Figura 4. Recuerde que para este tipo de columna se requieren seis especificaciones 8. Borre las especificaciones Btms Prod Rate y Reflux Ratio que aparecen por defecto en el grupo Column Specification de la página Monitor y agregue las siguientes especificaciones a la columna 1. Vap Prod Rate Active V3 1.6 kgmole / h Figura 4. Columna Purificadora 2. Comp Fraction Active Stage Condenser Mass Fraction Phase Liquid 0.88 Component Ethanol 184

7 3. Reflux Ratio Estimate Stage Condenser Distillate Rate Estimate P kgmole / h Presione el botón Run en la ventana de propiedades de la columna para calcular las corrientes de productos de la columna T-102. Columna Rectificadora 9. El producto principal de una planta como ésta, es una mezcla azeotrópica de etanol y agua. La columna rectificadora de nombre T-103 se opera como una columna de destilación convencional y sirve para concentrar la mezcla etanol / agua hasta una concentración próxima a la azeotrópica. Contiene un condensador parcial y un rehervidor. Las temperaturas estimadas en el condensador y rehervidor son 79 C y 100 C, respectivamente. Instale esta columna con las especificaciones observadas en la Figura 5 Figura 5. Columna Rectificadora 185

8 Borre las especificaciones Btms Prod Rate y Reflux Rate que aparecen por defecto en el grupo Column Specification y agregue las siguientes especificaciones a la columna 1. Reflux Ratio Active Stage Condenser Ovhd Vap Rate Active V kgmole / h 3. Distillate Rate Active D Mass 2.00 kg / h 4. Comp Frac Active Stage 2_Main TS Mass Fraction Phase Liquid 0.95 Component Ethanol 5. Fusel Rate Active Fusel Mass 3.00 kg / h 6. P1 Rate Estimate P kgmole / h Damping Factor 0.25 Enable Azeotrope Check ON 5. CASO DE ESTUDIO Encuentre una explicación a por qué la corriente Fusel se instaló en la etapa