isa etanol

Emily Ramírez e Isaac Rodríguez SIMULACIÓN DE PROCESOS

Ministerio del Poder Popular para la Educación UniversitariaInstituto Universitario de Tecnología “Dr. Federico Rivero Palacio”PNF en Procesos QuímicosHerramientas Informáticas para el Cálculo en PQ.Tema 2: Simulación de ProcesosProfesores: Ana Vidovic, Romer Barroso, Juan González y Manuel Caldeira.

PROYECTO: PLANTA DE ETANOL

Descripción del proceso:

Típicamente un proceso de obtención de etanol por fermentación genera diversos subproductos en pequeñas cantidades; metanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 3-metil-1-butanol, 2-pentanol, ácido acético, y CO2. Para tratar esta corriente de etanol el proceso involucra cinco equipos, los cuales serán detallados a continuación.

Datos de la corriente a tratar:Temperatura (°C): 30 Presión [kPa]: 101.325 Flujo Molar [kgmole/hr]: 2400Fracciones MolaresEtanol 0.0269H20 0.9464CO2 0.0266Metanol 2.693e-05Acido Acético 3.326e-061-Propanol 9.077e-062-Propanol 9.096e-061-Butanol 6.578e-063-metil-1-butanol 2.148e-052-Pentanol 5.426e-06Glycerol 6.64e-06

Equipo 1: SeparadorLa corriente a tratar se envía a un separador, en el cual el CO2 se separa como producto de cabeza (CO2-etanol) para ser tratada en el equipo 2 y la corriente líquida (Líquido-etanol) será tratada por medio de los equipos 3, 4 y 5.

Equipo 2: AbsorciónDado que la corriente del tope del separador (CO2-etanol) arrastra algo de etanol, es enviada al fondo de una torre de lavado de CO2 (10 etapas), utilizando 130 Kgmol/hr de agua pura en contracorriente a 25 °C y 101.325 Kpa. En esta torre se obtiene la corriente gaseosa de CO2 y una corriente líquida (agua-etanol-fermentador).

Equipo 3: AbsorciónLa corriente líquida-etanol proveniente del fondo del separador, será tratada en una torre concentradora (absorción de 17 etapas) utilizando en contracorriente una corriente de Vapor Agua. Se obtienen tres productos: el del tope identificado como Vapor-etanol-livianos, el del fondo identificado como Líquido-agua-glicerina y en la etapa 6 una corriente en estado vapor identificada como F rectificadora. Se estima


que la temperatura del tope es de 90°C y la del fondo de las torre de 110 °C. Se dispone de 11000 Kg/hr de vapor de agua a 140 °C y 101.325 Kpa.

La salida de la torre en el plato 6 (F rectificadora) será tratada posteriormente en el equipo 5. Pero se requiere que en esta corriente se recupere el 95 % del etanol.

Equipo 4: Absorción-reflujoLa corriente vapor-etanol-livianos proveniente del equipo 3 es alimentada en el fondo de una torre de absorción (Trat. –livianos) con condensador parcial y constituida de 5 etapas. En esta torre se tienen tres salidas: la del tope vapor identificada como Venteo CO2, la del destilado liquido identificada como Etanol secundario y la del fondo identificada F rectif. Que será tratada en el equipo 5.

Esta torre opera a 101.325 Kpa. y debe cumplir con las siguiente especificaciones: Vap Prod rate en la corriente de venteo de CO2 con un flujo de 1.6 Kgmol/hr y la composición másica de etanol en el destilado liquido de 0.88. La corriente del fondo (F.Rectif.) será alimentada en el equipo 5.

Equipo 5: DestilaciónEn una columna de destilación (Rectificadora) de 29 etapas con condensador parcial, la corriente F. Rectif. proveniente del equipo 4 es alimentada en la etapa 19 y la corriente F rectificadora, proveniente del equipo 3 es alimentada en la etapa 22.

La columna cuenta con cinco salidas: Tope vapor, Destilado, Producto, Fusel (alcoholes) y Residuo. La salida del producto (el que se desea obtener) es extraído en forma líquida en la etapa 2 y el producto Fusel (alcoholes principalmente 1-propanol) en la etapa 20 en forma líquida.

La torre opera a 101.325 Kpa., se estima una temperatura en el condensador de 79 °C y el fondo de 100 °C. Debe cumplir con las siguientes especificaciones:

Reflux ratio en el condensador (base molar): 7100Ovhd Vapor rate: 0.1 Kgmole/hrDestillate rate: 2 Kg/hrFusel draw rate: 3 Kg/hr Component fraction: en el Producto (etapa 2): 0.95 en etanol (másico).

Adicionalmente en Parameters (solver) se debe activar en damping-azeotrope, como factor se puede establecer 0.25 si necesario.

Establecer la simulación del proceso. Justificar el modelo termodinámico seleccionado. Identificar la cantidad de etanol en Kg/hr que se obtiene como producto. De cuanto fue la pérdida en Kg/hr (aproximadamente) y en porcentaje con respecto al etanol que ingresa en todo el proceso. Establecer el balance parcial en etanol en todo el sistema y comparar con los resultados obtenidos por el simulador. Identificar los requerimientos energéticos (en KW) del proceso.

Según las composiciones estimadas en cada una de las etapas de la torre, verificar si es conveniente retirar la corriente Fusel (alcoholes) en la etapa 20, si lo que se requiere es eliminar el máximo del componente 1-propanol.


Pasos para montar la simulación:1- Seleccionar los compuestos.

2- Seleccionar el paquete termodinámico. Se seleccionó NTRL ya que se usan para mezclar

orgánicas en presencia de agua.

3- Seleccionar el módulo de separación flash.

4- Asignar y especificar las corrientes del separador.

5- Establecer el equipo 2 que es un módulo de absorción, no es necesario colocar

especificaciones para este módulo.

6- Fijar el equipo 3 como un módulo de absorción, especificar el numero d etapas.

Seleccionar como especificación la recuperación de etanol en la corriente F-rectificadora.

7- Agregar la torre de absorción- reflujo a la cual se le asigna la corriente de entrada y las de

salida y adicionar las especificaciones correspondientes como Vap Prod rate y la

composición en la corriente liquida de etanol en el destilado.

8- Fijar la torre destilación estableciendo las especificaciones con los datos asignados por el

problema, y además fijar el dumping-azeotrope.

Cantidad de producto obtenida de etanol en la simulación: 2779.5 Kg/hr.

Perdida de etanol: 194.8Kg/hr.

Porcentaje de perdida de etanol: 6.55%

Requerimientos energéticos del proceso: 1.9*e4 KW.

No es conveniente retirar la corriente fusel (alcoholes) debido a que sale mayor cantidad

de 1-propanol en el producto.

Verificación del balance de masa en el etanol:

Salida del separado en fase liquida

63,591 Kgmol/hr

Debido a que en la corriente F-rectificadora se recupera el 95% de etanol que entra del separador

se obtiene que

0.95*63,591Kmol/hr = 60,41 Kgmol/hr


El otro 5% sale por el tope por la corriente de vapor-etanol-livianos

0.05*63.591 Kgmol/hr=3,17kmol/hr

La corriente vapor-etanol-livianos es enviada a la torre de absorción de reflujo donde la corriente

de veteo de CO2 tiene un flujo molar de 1,6 Kgmol/hr y la composición en el destilado

denominado Etanol secundario ser de 0.88 %P/P. basándose en estos datos se tiene la siguiente

ecuación:

Cantidad de etanol que entra a la torre de reflujo:

40.07Kg/kgmole * 3,17Kmol/hr=127,4Kg/hr

Cantidad de etanol en Etanol secundario

127,4 = Etanol-secundario*0.88 + 1,6*0+F-rectificadora*X

Ya que teóricamente no se tienen datos de las composiciones de etanol en la corriente de venteo

de CO2, será despreciado. Además en hysys la cantidad que sale por dicha corriente es mínima,

entonces se obtiene el siguiente resultado

Etanol secundario = 127,-1.6 =125,8 Kg/hr

De igual formar la cantidad de etanol que sale por el fondo es despreciable con respecto a la que

sale en la corriente etanol secundario

.

Ya que se desea recuperar la misma cantidad de etanol que entra a la torre de destilación la

corriente del producto será de:

Etanol. F.rectifc = Etanol en producto

Es decir 60,41=60,41 Kgmol/hr


Tabla comparación de resultados de hysys

Corriente Resultado de Hysys Resultado manual

Vapor-etanol-livianos 147,12 Kg/hr 125,8 Kg/hr

F-rectificadora 60,41 60,397

F-rectif 129,47 125,8

Producto 60,41 60,332

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