pfc germán gonzález gil

Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 1

MODELADO Y SIMULACIN DE UNA PLANTA DE PRODUCCIN DE ETANOL

POR HIDRATACIN DIRECTA DE ETILENO

PROYECTO FIN DE CARRERA

Autor: Germn Gonzlez Gil

Tutor: ngel L. Villanueva Perales

Departamento de Ingeniera Qumica y Medioambiental

Escuela Tcnica Superior de Ingenieros

Universidad de Sevilla

Sevilla, Abril de 2011


1.- NDICE 1.-NDICE .............................................2

2.- ANTECEDENTES, ALCANCE Y OBJETIVOS ........4

3.- RESUMEN .......................................5

4.- RUTAS DE PRODUCCIN DE ETANOL

a. INTRODUCCIN ........7

b. ESTUDIO DE ALTERNATIVAS .....8

c. PRODUCCIN DE ETANOL VA HIDRATACIN DIRECTA DEL ETILENO .13

i. Qumica del proceso........13

ii. Catalizadores.....15

iii. Cintica de la reaccin.......16

iv. Constantes de equilibrio....17

v. Efectos de las variables del proceso...19

vi. Descripcin del proceso industrial.....20

5.- MODELADO DEL PROCESO DE PRODUCCIN DE ETANOL VIA HIDRATACIN DIRECTA

DEL ETILENO

a. INTRODUCCIN....23

b. DEFINICIN DE LA PLANTA A MODELAR Y SIMULAR

i. Produccin a capacidad nominal.......................23

ii. Descripcin de la planta y diagrama de flujo..24

c. DISEO DE LA PLANTA PARA LA CAPACIDAD NOMINAL

i. Datos de partida......31

ii. Metodologa...............................31

iii. Diseo de equipos...38

iv. Comparativa con datos de referencia......45

d. INTEGRACIN ENERGTICA DE LA PLANTA ......45

e. RESULTADOS DE LA SIMULACIN EN RGIMEN PERMANENTE...49

6.- ESTUDIO DE VIABILIDAD ECONMICA DE LA PLANTA

a. COSTES DE INVERSIN.....50

b. COSTES DE OPERACIN ANUALES....53

c. ESTIMACIN DE LOS INGRESOS ANUALES POR VENTAS.....55

d. ESTIMACIN DEL COSTE DE PRODUCCIN......55

e. MODELO FINANCIERO.....56

f. RESULTADOS.58

7.- CONCLUSIONES.61

8.- REFERENCIAS..62


9.- ANEXOS

a. ANEXO A: TABLAS DE DATOS DE LAS CORRIENTES EN EL PUNTO DE

DISEO....65

b. ANEXO B: TABLAS DE DATOS DE LOS EQUIPOS DISEADOS..72

c. ANEXO C: TABLAS DE RESULTADOS ECONMICOS EN EL PUNTO NOMINAL

DE DISEO.82


2.- ANTECEDENTESS, ALCANCE Y OBJETIVOS

El objetivo del presente proyecto es simular una planta de produccin de

etanol mediante hidratacin directa del etileno y, a partir de ella, calcular los

requerimientos energticos que tendra y estudiar su viabilidad econmica frente a la

ruta convencional de produccin de etanol.

La eleccin de la va de hidratacin directa del etileno se debe a que el presente

proyecto es parte de uno de mayor envergadura que realiza el Grupo de Bioenerga de

la Universidad de Sevilla cuyo objetivo es el estudio de la produccin de etanol por

rutas indirectas a partir de biomasa. Una de las posibles rutas consiste en transformar

la biomasa en gas de sntesis mediante gasificacin para, posteriormente, sintetizar

metanol y ste a olefinas (en su inmensa mayora etileno) que son finalmente

convertidas en etanol. An as, se describen y comparan brevemente otras rutas para

la produccin de etanol como son la hidratacin indirecta del etileno (tecnologa

obsoleta que era la anteriormente usada a la propuesta aqu) y la fermentacin de

azcares de plantas (forma de produccin de etanol ms importante en la actualidad,

concentrando un 95% de la produccin mundial). El etanol obtenido ha de poder ser

usado como combustible de vehculos a motor [ACE08].


3.- RESUMEN

En este captulo se trata de resumir todo el trabajo realizado a lo largo de la

elaboracin del proyecto.

Como punto de partida se estudian las diferentes alternativas posibles para la

produccin de etanol deshidratado. Una vez analizadas las distintas alternativas se

decide decantarse por la va de la hidratacin directa del etileno. La descripcin

detallada del proceso se realizar en el Captulo 5, pero a continuacin se har un

breve resumen del mismo.

Una vez elegida la ruta que se desea emplear, se establece que la capacidad

nominal de la planta ser de 200.000 toneladas al ao de etanol deshidratado. Cuando

se tiene claro el proceso a seguir se comienza implementando en el software Aspen

Plus 2006.5 la planta descrita, que ha de operar con unas condiciones lo ms similares

posibles a las de las plantas reales. Apoyndose siempre en Aspen, se realizan los

balances de materia y energa de cada una de las corrientes y equipos que componen

la planta, imprescindibles para un posterior anlisis econmico

Se estudia tambin la integracin energtica de la planta, es decir, las

posibilidades de aprovechamiento energtico de las distintas corrientes y las

necesidades de energa extra en forma de calor o electricidad (si las hubiere). El

objetivo ideal sera conseguir que la planta sea autosuficiente, es decir, que no sea

necesario un aporte de energa exterior para que el proceso siga producindose

indefinidamente. La aportacin de energa trmica extra se valora realizarla mediante

la quema de gas natural o la quema de biomasa.

Adems, se calcula la funcin de beneficio de la planta a partir de las ganancias

producidas por la venta de productos (etanol y corriente de ligeros) y de materias

primas, corrientes de servicio y el gasto elctrico. Esta funcin de beneficio se emplea

como factor objetivo a la hora de optimizar la produccin.

Los principales resultados obtenidos durante le realizacin del proyecto

aparecen recogidos en la siguiente tabla:


Principales resultados obtenidos

Produccin de Etanol (kg/h) 22888,29

Produccin de ligeros (kg/h) 861,23

Concentracin dietilter en ligeros (%) 62,20

Caudal de purga (kg/h) 545,66

Concentracin de etileno en purga (%) 95,60

Agua residual(kg/h) 2344,32

Consumo de Gas natural (Caso 1)(kg/h) 245,45

Consumo de biomasa (Caso 2)(kg/h) 695,01

Tabla 1. Principales resultados obtenidos.


4.- RUTAS DE PRODUCCIN DE ETANOL

a. INTRODUCCIN

El alcohol etlico, cuya formula es CH3CH2OH, es uno de los compuestos

qumicos orgnicos que contienen oxgeno ms verstiles, siendo utilizado como

germicida, disolvente, anticongelante, combustible, para la elaboracin de frmacos y

como intermedio para la produccin de otros productos qumicos. Asimismo, es un

componente funcional de las bebidas alcohlicas. La sntesis qumica del etanol se

realiza normalmente a partir de los recursos petrolferos por hidratacin del etileno

presente en ellos. Este etanol industrial ha encontrado un gran campo de aplicacin.

El etanol industrial puede ser producido sintticamente a partir del etileno o

mediante la fermentacin de azcar, celulosa o almidn. El segundo proceso copa el

95% de la produccin mundial de etanol y se espera que su proporcin siga creciendo

[CHR03]. La siguiente grfica muestra cmo ha evolucionado con el tiempo esta

proporcin (a partir del 2003 los datos son estimaciones):

Figura 1. Distribucin de la produccin de etanol con el tiempo.

Para la produccin de etanol sinttico a partir de etileno existen dos vas

alternativas:

-Hidratacin indirecta del etileno: Se basa en la absorcin de un gran volumen de

etileno en cido sulfrico concentrado, formndose etanol y algo de dietilter (5-

10%) cuando la solucin cida es diluida con agua [COT61].

-Hidratacin directa del etileno: Este proceso se cre como alternativa a la

hidratacin indirecta del etileno para evitar el uso de cido sulfrico. La primera


planta comercial de etanol por esta va data del ao 1948 y perteneca a Shell

[NEL54]. La va hidratacin directa del etileno para producir etanol ha desplazado

totalmente al proceso mediante hidratacin indirecta desde 1970. Por tanto, el

presente texto se centrar en la produccin de etanol sinttico por hidratacin

directa del etileno.

Las propiedades del etanol, tanto fsicas como qumicas dependen fuertemente

del grupo hidroxilo que dota de polaridad a la molcula. El alcohol en condiciones

normales es un lquido incoloro, voltil e inflamable. Es miscible en todas proporciones

con agua, acetona, benceno y otros disolventes orgnicos. El alcohol anhidro es

higroscpico, llegando a tomar agua hasta un 0,3-0,4% de su peso. La mezcla

azeotrpica de agua y alcohol se produce cuando hay un 95,57% p/p de alcohol y un

4,43% de agua. Esta es la mxima concentracin de alcohol que se podra obtener en

una destilacin normal. Para obtener un alcohol anhidro es necesario deshidratar el

azetropo, cosa que se puede hace por diversos mtodos. En los ltimos aos, el uso

de alcohol deshidratado como combustible ha sufrido un aumento exponencial

[CHR03].

La produccin mundial total de etanol en 2008 fue de ms de sesenta mil

millones de litros. El mercado del etanol sufre un crecimiento anual del 1,6%. La

produccin del mismo por la va de la deshidratacin del etileno se ha vuelto

recientemente menos competitiva debido al aumento de los precios del etileno,

provocando el cierre de muchas instalaciones basadas en este proceso [NEX06].

La produccin de alcohol sinttico se concentra en las manos de unas pocas

multinacionales, siendo las ms importantes Sasol (que opera en Sudfrica y

Alemania), SADAF (Arabia Saud), British Petroleum y Equistar (USA) [CHR03].

b. ESTUDIO DE ALTERNATIVAS

Existen dos rutas principales de produccin de alcohol sinttico a partir de

etileno, la va mediante hidratacin indirecta del etileno y la va por hidratacin directa

del etileno. Adems se describe brevemente la ruta de produccin de etanol ms

usada en la actualidad; la fermentacin de azucares procedentes de sustancias

vegetales para dar bioetanol.

-Va hidratacin indirecta del etileno: Se basa en la absorcin de un gran volumen de

etileno en cido sulfrico concentrado, formndose etanol y algo de dietilter (5-10%)


cuando la solucin cida es diluida con agua. La produccin de ter se puede controlar

variando las condiciones (proporcin etileno/cido sulfrico y condiciones de

hidrlisis). Los pasos a seguir en este proceso son las siguientes:

(1) Absorcin de etileno en cido sulfrico concentrado.

CH2=CH2 + H2SO4 CH3CH2OSOH

2CH2=CH2 + H2SO4 (CH3CH2O)2SO2

(2) Hidrlisis.

CH3CH2OSOH + H2O CH3CH2OH + H2SO4

2CH3CH2O)2SO2 + H2O 2CH3CH2OH + H2SO4

(3) Reconcentracin del cido sulfrico diluido.

(4) Deshidratacin

TREN DE

ABSROBEDORES

HIDROLIZADORES

PURGA

TREN DE

DESTILACINDESHIDRATADOREtileno

Agua

Gases

Desecho

Etanol

hmedo

cido

sulfrico

Dbil (50-60%)

Etanol

seco

EVAPORADORFORTIFICACINleum

cido

sulfrico

(96-98%)

Figura 2. Diagrama de bloques del proceso de hidratacin indirecta de etileno

La alimentacin contiene entre 35 y 95% de etileno, y el resto de gases son

metano y etano. Algunos hidrocarburos insaturados son indeseables porque su

presencia lleva a la formacin de alcoholes secundarios.

La absorcin se lleva a cabo haciendo pasar a contracorriente el etileno a travs

de cido sulfrico (95-98%) en un reactor de columna de borboteo a 80 C y 1,3-1,5

Mpa [BET26]. La absorcin es exotrmica y se requiere refrigeracin para estar por

debajo del lmite a partir del cual se producen corrosiones [MOR51]. La absorcin

aumenta cuando esta presente hidrosulfato de etilo [VALL51]. Este incremento se

debe a la mayor solubilidad del etileno en este compuesto que en cido sulfrico.

El absorbato que contiene los etilsulfatos mezclados es hidrolizado con agua

suficiente como para producir una solucin cida con un 50-60% de sulfrico. La


mezcla de la hidrlisis es separada en una columna de stripping para dar por cola cido

sulfrico diluido y por cabeza una mezcla gaseosa de alcohol, ter y agua. Esta mezcla

que sale por cabeza es lavada con agua o hidrxido sdico diluido y posteriormente es

purificada por destilacin [SHI37] [MUL57]

El principal subproducto de la reaccin entre etanol y dietilsulfato es el

dietilter. Varios mtodos han sido propuestos para disminuir su formacin,

incluyendo la separacin del dietilsulfato en los productos de reaccin [BAN49]. El

dietilsulfato no solo provoca la formacin de dietilter, sino que adems hace ms

difcil la hidrlisis a alcohol. La constante de equilibrio para la hidrlisis del hidrosulfato

de etilo es muy poco sensible a la temperatura, y el rendimiento de la reaccin es

proporcional a la cantidad de in hidrgeno [KRE10].

La reconcentracin de cido sulfrico diluido (50-60%) es una de las

operaciones ms costosas en la produccin de etanol por esta va. Un reboiler cido

seguido de un sistema de evaporacin a vaco de dos etapas, deja la concentracin de

cido entorno al 90%. Este cido es luego llevado al 96-98% fortificndolo con 103%

leum (cido sulfrico fumante)

La acumulacin de materiales carbnicos en el cido sulfrico es uno de los

mayores problemas de la concentracin cida [LEC58]. Otro problema es la corrosin.

Los recipientes son de acero con bajo contenido en carbono y alineados con plomo o

ladrillo. Las tuberas suelen ser de plomo [CAR62].

- Va hidratacin directa del etileno: La hidratacin de etileno a etanol es una relacin

reversible controlada por el equilibrio:

CH2=CH2 + H2O CH3CH2OH (g) H= -43,4 KJ/mol

Siendo el dietilter el principal subproducto.

Existen numerosos catalizadores para la hidratacin del etileno. La mayora de

ellos son cidos porque la reaccin conlleva la presencia de carbocationes. De todas

maneras, solo catalizadores de cido fosfrico soportados por tierras de diatomeas

(Celita), montmorrillonita, bentonita y slicagel son de importancia industrial.

La conversin esta limitada para bajas temperaturas por el catalizador y para

altas temperaturas por consideraciones de equilibrio. Un aumento en la presin

incrementa la produccin de etanol, pero presiones muy altas provocan la

polimerizacin del etileno.


En el proceso de hidratacin directa, un gas rico en etileno es comprimido,

combinado con agua de proceso, calentado hasta la temperatura deseada de reaccin

y alimentado a un reactor de lecho cataltico (impregnado en cido fosfrico) donde se

convierte a etanol.

El producto del reactor es refrigerado mediante un intercambiador de calor con

la corriente de alimentacin al reactor y es separado en una corriente de lquido y otra

de gas. La corriente lquida va al sistema de refino del etanol y la corriente vapor es

lavada con agua para quitarle el etanol contenido en ella. Hay una pequea corriente

de purga del etileno recirculado. El etanol es purificado mediante destilacin en dos

etapas seguida de deshidratacin.

REACCINEtileno FLASH DESTILACIN DESHIDRATACIN

Agua

Ligeros

Etanol

Seco

Gases

Agua Etanol

Hmedo

Purga

LAVADORGases

Lquidos

Figura 3. Diagrama de bloques del proceso de hidratacin directa de etileno

- Va fermentacin de azcares: El etanol se produce por la fermentacin de los

azcares contenidos en la materia orgnica de las plantas. En este proceso se obtiene

el alcohol hidratado, con un contenido aproximado del 5% de agua [SHI06], que tras

ser totalmente deshidratado se puede utilizar como combustible.

Este bioetanol se obtiene a partir de la remolacha (u otras plantas ricas en

azcares), de cereales, de alcohol vnico y de biomasa entre muchas otras materias

primas. En general, se utilizan dos familias de productos para la obtencin del alcohol

[ULL07]:

- Azucares, procedentes de la caa (vas ms desarrollada y rentable en la

actualidad) o la remolacha.

- Cereales, mediante la fermentacin de los azcares del almidn.

Un esquema general del proceso de produccin del de bioetanol, muestra las

siguientes fases:


- Dilucin: Es la adicin del agua para ajustar la cantidad de azcar en la mezcla o

(en ltima instancia) la cantidad de alcohol en el producto. Es necesaria porque la

levadura, usada ms adelante en el proceso de fermentacin, puede morir debido

a una concentracin demasiado alta del alcohol [GON84].

- Sacarificacin: La conversin es el proceso de convertir el almidn/celulosa en

azcares fermentables. Puede ser lograda por el uso de la malta, extractos de

enzimas contenidas en la malta, o por el tratamiento del almidn (o de la celulosa)

con el cido en un proceso de hidrlisis cida [SCH77].

- Fermentacin: La fermentacin alcohlica es un proceso anaerbico (en ausencia

de oxgeno) realizado bsicamente por levaduras. A partir de la fermentacin

alcohlica se obtienen un gran nmero de productos, entre ellos el alcohol

[AGR50].

- Destilacin o deshidratacin: Se separa el agua del alcohol mediante columnas de

destilacin hasta la composicin del azetropo agua-etanol. Posteriormente se

deshidrata totalmente el etanol mediante tamices moleculares.

MAZ

TRIGO

CEBADA

SORGO

REMOLACHA

CAA AZCAR

MELAZA

MADERA

RSU

RESIDUOS DE

PODAS

ALMIDON

CELULOSAS

HIDRLISIS

HIDRLISIS

AZCARESFERMENTACIN

DESTILACIN

ETANOL

HIDRATADODESHIDRATACIN

ETANOL

DESHIDRATADO

Figura 4. Diagrama de bloques del proceso produccin de etanol por fermentacin de

azcares

Otra alternativa a las cosechas dedicadas a fines energticos, son los materiales

lignocelulsicos que ofrecen un mayor potencial para la produccin de bioetanol, el

uso de residuos de procesos agrcolas, forestales o industriales, con alto contenido en

biomasa.

Estos residuos pueden ser residuos slidos urbanos, paja de cereal, limpias

forestales, cscaras de cereal o de arroz, entre muchos otros. Los residuos tienen la

ventaja de su bajo coste, ya que son la parte no necesaria de otros productos o


procesos, salvo cuando son utilizados en la alimentacin del ganado. Los residuos

slidos urbanos tienen un alto contenido en materia orgnica, como papel o madera,

que los hace una potencial fuente de materia prima, pero debido a su diversa

procedencia pueden muchas veces contener otros materiales cuyo pre-proceso de

separacin podra incrementar el precio de la obtencin del bioetanol. Tambin

pueden utilizarse residuos generados en algunas industrias, como la papelera, la

hortofrutcola o la fraccin orgnica de residuos slidos industriales.

Los residuos de biomasa contienen mezclas de celulosa, hemicelulosa y lignina.

As, para obtener los azcares a partir de la biomasa, sta es tratada con cidos o

enzimas que facilitan su obtencin. La celulosa y hemicelulosa son hidrolizadas por

enzimas o diluidas por cidos para obtener glucosa, que es entonces fermentada. Los

principales mtodos para extraer estos azcares son tres: la hidrlisis con cidos

concentrados [SHE86], la hidrlisis con cidos diluidos [HAR85] y la hidrlisis

enzimtica [WOR09].

El bioetanol obtenido a partir de azucares y almidn es llamado de primera

generacin mientras que el alcohol obtenido a partir de lignocelulosa es llamado de

segunda generacin.

c. PRODUCCIN DE ETANOL POR HIDRATACIN DIRECTA DEL ETILENO

En este apartado se describe con detalle cmo se produce la reaccin principal

del proceso de hidratacin directa del etileno para formar etanol y se nombran

brevemente las reacciones secundarias que este proceso conlleva. A continuacin se

describen los distintos catalizadores de uso industrial empleados para producir la

reaccin, su cintica (para uno de estos catalizadores), y su constante de equilibrio. Por

ltimo se detallan y discuten los valores de las principales variables del proceso y ste

es ampliamente descrito.

i. Qumica del proceso

La hidratacin de etileno a etanol es una reaccin reversible controlada por el

equilibrio:

CH2=CH2 + H2O CH3CH2OH (g) H= -43,4 KJ/mol

Esta reaccin sigue un mecanismo compuesto de cuatro pasos [NEL54]:

1) Formacin del complejo mediante la adicin de un protn a la molcula de


etileno.

2) Conversin del complejo a un carbocatin: Este paso es el ms lento y por tanto

el que controla la reaccin

3) Adicin de agua al carbocatin:

4) Extraccin de un protn del etanol protonado.

Industrialmente, esta reaccin tiene lugar a una presin comprendida entre 6 y

8 Mpa y a unas temperatura de 250-300 C, obtenindose una baja conversin por

paso (entre el 6 y el 8%), y una selectividad a etanol superior al 95%.

En los reactores dedicados a la hidratacin directa del etileno se producen

tambin las siguientes reacciones secundarias de importancia:

- El dietilter puede formarse a partir de alcohol o, inversamente, el ter puede

hidratarse para formar etanol.

2CH3CH2OH (CH3CH2)2O +H2O

Esta reaccin se ve favorecida a bajas temperaturas. Por evitarla se recomienda una

temperatura mnima de la mezcla a la entrada del reactor de 250 C

- Si la alimentacin de etileno tiene trazas de acetileno, se forma acetaldehdo,

mediante la reaccin:

C2H2 + H2O CH3CHO

La formacin de acetaldehdo es particularmente indeseable porque conlleva la

posterior formacin de crotonoaldehdo [CAR62], que acta como un veneno para los

catalizadores usados en la produccin de etanol por hidratacin directa del etileno. Por

ello que resulta conveniente una concentracin mxima de acetileno en el etileno

alimentado del nivel de partes por milln [SMI58].

La reaccin de formacin del crotonoaldehdo es la siguiente:

2CH3CHO CH3CH(OH)CH2CHO CH3CH=CHCHO + H2O

Una ppm de crotonoaldehdo hace decrecer el tiempo del test del

permanganato de 60 a 30 min. El test del permanganato es un control de calidad

estndar de las impurezas oxidables de productos como el etileno, el etanol, el

metanol, la acetona, etc. Sin embargo, cabe remarcar que para su uso como

combustible, el etanol no tiene limitaciones en lo que a tiempo del test de

permanganato se refiere. Por tanto, los intentos de suprimir la formacin de

cortonoaldehdo en el proceso que aqu se muestra tienen como nico objetivo el

evitar que ste envenene los catalizadores.


Actualmente, los etilenos comerciales suelen tener muy baja concentracin de

acetileno (entre 5 y 10 ppm), por lo que la formacin de crotonoaldehdo no supone

un problema. De todas maneras, ambos aldehdos pueden ser hidrogenados hasta sus

respectivos alcoholes saturados en el caso de que su concentracin fuera lo

suficientemente elevada como para resultar perjudicial (lo cual como se ver ms

adelante, no ocurre en este proceso).

CH3CHO + H2 CH3CH2OH

CH3CH(OH)CH2CHO + 2H2 C4H9OH

Estas reacciones de hidrogenacin se ven favorecidas a temperaturas entre

110-210 C y altas presiones, aunque por cuestiones econmicas se suele operar

alrededor de los 0,5 Mpa.

A altas presiones el etileno puede llegar a polimerizar, formndose

hidrocarburos con cadenas ms grandes. Este fenmeno es apreciable a partir de

presiones de operacin de ms de 8 Mpa. Todos estos hidrocarburos insaturados son

convertidos a su correspondiente alcohol por hidratacin.

ii. Catalizadores

A temperatura ambiente, la conversin a etanol por hidratacin directa del

etileno es apreciable, pero la velocidad de reaccin es extremadamente lenta. Un

incremento de temperatura desfavorece la proporcin de alcohol, mientras que un

incremento de presin la favorece debido al menor nmero de moles en los productos.

Por todo ello es necesario el uso de un catalizador y de temperaturas relativamente

altas (250-300 C) para aproximarse al equilibrio en un periodo de tiempo

razonablemente bajo.

Existen numerosos catalizadores para la hidratacin del etileno. La mayora de

ellos son cidos porque la reaccin conlleva la presencia de carbocationes. De todas

maneras, solo catalizadores de cido fosfrico soportados por tierras de diatomeas

(Celita) [EAS66], montmorrillonita [VEB67], bentonita [HIB68] y slicagel [BP72] son de

importancia industrial. Hibernia-Chemie y Shell fabrican y suministran catalizadores de

cido fosfrico que usan Celita (tierra de diatomeas calcinada) como soporte inerte

poroso [NEL51]. El soporte se impregna con una solucin de cido fosfrico de

concentracin menor del 70% que luego es secada hasta dar una concentracin del

cido del 75-85 %. De esta manera, no se desprende cido del soporte. El factor que

ms afecta a la actividad cataltica es la concentracin del cido fosfrico (funcin de la

temperatura de operacin y de la presin de vapor) en los poros del soporte. Si la

concentracin cae, la conversin baja; si la concentracin se vuelve demasiado elevada


se produce una creciente tendencia a la polimerizacin del etileno.

Los xidos de aluminio y hierro presentes en la Celita han de ser eliminados ya

que reaccionan con el cido fosfrico. Esto conllevara el cracking del etileno, prdida

de fuerza del soporte y acumulacin de finos que da lugar al taponamiento del reactor.

La eliminacin de estos xidos se realiza pretratando el soporte con cidos clorhdrico

o sulfrico [SMI58]. Esto consigue un catalizador que opera a temperaturazas bajas,

proporciona mayores conversiones y tiene una vida ms larga. Tratar el soporte

previamente con vapor recalentado a 250-260 C mejora las propiedades mecnicas

del catalizador [HAG69]. Calentar el soporte cataltico hasta 700-1000 C ha sido

tambin recomendado ya que aunque perjudica la actividad y la selectividad, asegura

una buena sujecin del cido fosfrico al soporte.

Para la aplicacin comercial del catalizador es igualmente importante la vida de

ste. La disminucin de actividad del catalizador se produce por las prdidas de cido

que se desprende del soporte debido al movimiento de los fluidos y por las prdidas de

cido debido a la volatilizacin del mismo como trietilfosfato. La bajada de la actividad

puede ser contrarrestada aadiendo cido fosfrico al catalizador durante su uso. Un

catalizador sujeto peridicamente a una adicin de cido podra permanecer en

servicio indefinidamente [NEL51]. Una reciente patente de Shell establece que se

requiere una completa reimpregnacin de cido fosfrico cada doscientos das

[SMI58].

La longevidad del catalizador requiere tambin un material soporte que no se

derrumbe o desintegre durante su preparacin y uso. Bentonitas y montmorillonitas

extradas con HCl para reducir su contenido en aluminio tienen mejores propiedades

mecnicas y mayor absortividad del cido que la celita [RIN72]. El carbn poroso

tambin es un soporte duradero para el cido fosfrico [EST66]. Por el contrario, el

slica gel normal sufre una rpida desintegracin y sus propiedades mecnicas no son

buenas, aunque las ltimas patentes de silica geles especiales proporcionan mejores

propiedades mecnicas y mayor microporosidad [DAL56].

iii. Cintica de la reaccin

La formacin del in carbonio es el paso controlante. La cintica de la reaccin

de hidratacin del etileno ha sido investigada para un catalizador de oxido de

tungsteno-silica gel, y la energa de activacin determinada fue de 125 Kj/mol [ROB56]

[WIN49]. La cintica sobre un catalizador de silica gel y cido fosfrico se puede

simplificar mediante la siguiente ecuacin:


Vreacc= K1(Pe - Pa/PwKf)

Siendo:

K1: constante cintica de la reaccin.

Pe: presin parcial de etileno.

Pa: presin parcial de etanol.

Pw: presin parcial de vapor de agua.

Kf: constante de equilibrio.

iv. Constante de equilibrio

A las presiones usadas en la produccin de etanol (6,1-7,1 Mpa), la cantidad de

alcohol por paso est limitada por consideraciones de equilibrio [GEL60]. Este hecho

ha centrado la atencin en la determinacin de las constantes de equilibrio y la

conversin por paso. Los resultados son los siguientes:

Log Kf= 2132/T - 6,241

Ff=28,6/T - 9,740

Donde:

f: fugacidad

Kf: constante de equilibrio.

Ff: energa libre de Gibbs basada en la fugacidad.

Las siguientes grficas muestran cual es la conversin de equilibrio de etileno

en funcin de la temperatura y a distintas presiones. En la primera, los datos que se

observan son los proporcionados por la bibliografa [KIR07], mientras que en la

segunda se reflejan los datos obtenidos en Aspen.


Figura 5. Conversin de equilibrio terica de etanol

Figura 6. Conversin de equilibrio de etanol en Aspen

Como se puede apreciar, los datos obtenidos en el simulador son muy

similares a los reales.


A continuacin se muestran cuales son las selectividades de etileno a etanol

tericas [KIR07] y las obtenidas con Aspen para una presin de 7,1 Mpa.

Figura 7. Selectividad de etileno a etanol terica y en Aspen

v. Efecto de las principales variables del proceso

Las principales variables del proceso en plantas de produccin reales que

operan con catalizadores de cido fosfrico quedan resumidas en la siguiente tabla

[ROB56] [MUL57]:

Condicin Valor

Temperatura, C 265

Presin, Mpa 7,115

Velocidad espacial (en condiciones estndar), h-1 1727

Proporcin molar etileno-agua a la entrada del reactor 1,2

Conversin por paso, % 6,18

Selectividad, % 96

Tabla 2. Principales variables del proceso

La temperatura ideal es aquella para la que la produccin de etanol es mxima.

La conversin esta limitada para bajas temperaturas por el catalizador y para altas

temperaturas por consideraciones de equilibrio.

Un aumento en la presin incrementa la produccin de etanol, pero presiones

muy altas provocan la polimerizacin del etileno. Por lo tanto hay una ventaja en

aumentar la presin, pero hasta cierto punto.

Incrementar la velocidad espacial aumenta la produccin de etanol, pero a


costa de incrementar tambin los costes de recirculacin.

i. Descripcin del proceso industrial.

La produccin de etanol por hidratacin directa del etileno es un proceso que

se ha realizado a escala industrial durante varias dcadas, habiendo sufrido cambios

significativos debido al desarrollo de nuevas tecnologas, materiales y catalizadores, as

como a los bruscos cambios del precio de las materias primas derivadas del petrleo.

Sin embargo, desde la dcada de 1980, prcticamente todas las industrias de

produccin de etanol por esta va siguen un proceso similar al que se describe a

continuacin.

Un gas rico en etileno es comprimido, combinado con agua de proceso

(desionizada), calentado hasta la temperatura deseada de reaccin y pasado por un

reactor de lecho cataltico (impregnado en cido fosfrico) para formar el etanol. Los

reactores utilizados para este proceso son de lecho fijo, a travs del cual se hace pasar

la corriente fluida reaccionante. Hay que cuidar especialmente que no haya agua en

forma lquida que pueda arrastrar cido fosfrico. Como siempre se pierde una

pequea cantidad de cido fosfrico, la continua renovacin de este es imprescindible.

Esto puede realizarse de manera continua o peridica aadiendo el cido pulverizado

sobre el lecho fijo. Existen patentes de reactores para el proceso de hidratacin directa

del etileno de Eastman Kodac Co. [STA71] y de Hibernia-Chemie [EST75].

El vapor que abandona el reactor est un poco ms caliente (de 10 a 20 C ms)

que el que entr debido a que la reaccin es ligeramente exotrmica. Una pequea

parte del cido presente en el catalizador sale con la corriente gaseosa, siendo

neutralizado mediante la inyeccin de una solucin diluida de hidrxido sdico.

El producto del reactor es refrigerado mediante un intercambiador de calor con

la corriente de alimentacin al reactor y es separado en una corriente de lquido y otra

de gas. La corriente lquida va al sistema de refino del etanol y la corriente vapor es

lavada con agua para quitarle el etanol contenido en ella. El producto crudo se recoge

en el sumidero del lavador y contiene entre un 10 y un 25% en peso de alcohol. Es

descomprimido para recuperar el etileno disuelto, que es recirculado. Hay una

pequea corriente de purga del etileno recirculado para prevenir la acumulacin de

impurezas indeseables en el gas. La corriente de purga es devuelta a la planta de

etileno o quemada.

El etanol es purificado mediante diversas destilaciones para obtener un 95%


volumtrico de alcohol (azeotrpico). Previamente a la destilacin, el etanol puede ser

catalticamente hidrogenado para convertir acetaldehdo y aldehdos ms pesados en

sus respectivos alcoholes. Un 2% de dietilter se forma como subproducto, y puede ser

fcilmente purificado y vendido con la corriente de ligeros de la destilacin extractiva,

o puede ser recirculado al reactor.

El azetropo puede ser deshidratado mediante resinas intercambiadoras de

iones, destilacin azeotrpica o tamices moleculares para producir un alcohol anhidro.

La tecnologa que se ha impuesto en los ltimos aos es el uso de tamices moleculares

de 3 hechos a partir de zeolitas sintticas (o almina activa).

El agua de proceso recuperada en el proceso de refino puede ser recirculada al

sistema de reaccin. Esto reduce de agua fresca de alimentacin hasta menos de un

quinto del total del agua alimentada al reactor. Recircular el agua de proceso tambin

reduce la cantidad de agua efluente, disminuyendo as las prdidas de etanol y la

carga contaminante.

Los recipientes usados como reactores tienen un dimetro de ms de 4 metros

y un volumen interno de ms de 150 m3. Estn cubiertos con cobre para protegerse

del ataque del cido fosfrico. Los intercambiadores de calor y las tuberas expuestas a

cido fosfrico estn hechas (o recubiertas) con cobre o aleaciones de cobre [EST64].

El resto de los equipos est hecho de acero [HUL70].


Figura 8. Diagrama bsico del proceso industrial


5.- MODELADO DEL PROCESO DE PRODUCCIN DE ETANOL VIA HIDRATACIN

DIRECTA DEL ETILENO

a. INTRODUCCIN

El proceso de produccin de etanol va hidratacin directa de etileno ya se ha

descrito a grandes rasgos en el apartado anterior. En este apartado se procede a

describir detalladamente el proceso, as como su modelado con el simulador Aspen

Plus 6.5.

Los procesos para la obtencin de etanol a partir de la hidratacin directa del

etileno que se describen en la bibliografa difieren en pequeos detalles, como por

ejemplo, la forma de destilar o el qu hacer con la purga, pero sin embargo todos

siguen un mismo esquema general [TUR07]: Compresin, reaccin, descompresin,

gases se purgan y recirculan y lquidos se destilan y deshidratan. El seguimiento de este

esquema bsico, implementado con datos reales de plantas que producen este tipo de

etanol y completado con el diseo de equipos auxiliares como bombas, mezcladores,

etc. es el objetivo del modelado realizado.

En Aspen Plus hay que partir de unos datos determinados segn el modelo que

proporciona el programa para cada equipo y que sern necesarios para la correcta

simulacin de la planta. Los datos que solicita el programa en cada caso se

corresponden con el nmero de grados de libertad de cada equipo.

Adems Aspen cuenta con diversas herramientas de diseo que facilitan los

clculos de diseo para unas condiciones de entrada y salida determinadas.

d. DEFINICIN DE LA PLANTA A MODELAR Y SIMULAR

i Produccin a capacidad nominal

La planta se disea para una cierta capacidad nominal. En este caso, se

determina que la produccin anual de etanol ha de ser de 200.000 tn, ya que segn la

bibliografa estudiada [CHR03], es el tamao de planta ms rentable para la

produccin de etanol por hidratacin directa de etileno. Esto implica que, para un

rendimiento global del 92%, hacen falta 131.645 tn/ao de etileno. Las otras dos

corrientes de salida son la purga (3793,82 tn/ao), que es en su inmensa mayora

etileno y la corriente de ligeros (7544,37 tn/ao) formada principalmente por dietilter

(principal subproducto en el reactor), etileno y pequeas cantidades de gases ligeros


que estn presentes en la corriente de entrada de etileno como pueden ser metano,

etano, nitrgeno, etc.

Para obtener esta produccin es necesario disear los equipos con la capacidad

de tratar la corriente de proceso, as como corrientes de servicio que permitan llevar,

en cada caso, a la corriente principal a las condiciones de presin y temperaturas

necesarias a cada equipo. Estos flujos de corriente se calculan durante el diseo de la

planta para cumplir las condiciones que se fijan en el apartado de las especificaciones.

ii. Descripcin de la planta y diagrama de flujo

La planta en la que se va a llevar a cabo el proceso de produccin de etanol por

hidratacin directa del etileno consta de los equipos necesarios para llevar a cabo los

procesos bsicos de reaccin y separacin que la conforman.

El etileno alimentado a la planta proviene de un proceso criognico y por ello

se encuentra en estado lquido, a una presin moderada y a baja temperatura. 16 atm

y -35,7 C fueron las condiciones usadas, ya que se encuentran dentro de los valores

tpicos de salida del etileno en plantas de produccin del mismo, que son [AME08]:

Condicin Mn. Mx

Presin (atm) 14,6 18

Temperatura (C) -40 -28,9

Presin (psig) 200 250

Temperatura (F) -40 -20

Tabla 3. Rango de valores tpicos de P y T en corriente de etileno.


Las especificaciones del etileno para uso industrial varan muy poco con el

suministrador y pueden resumirse en la siguiente tabla [SAB09]:

Componente Especificacin Unidades

Etileno 99.5 %

Oxigeno 20 ppmv

Dixido de carbono 50 ppmv

Monxido de carbono 10 ppmv

Etano 1000 ppmv

Metano 500 ppmv

Nitrgeno 80 ppmv

Acetileno 5 ppmv

Humedad 2 ppmv

Tabla 4. Composicin del etileno comercial

El oxgeno, nitrgeno, monxido, dixido, etano, metano y agua actan como

inertes en el proceso, mientras que como se coment anteriormente el acetileno

puede reaccionar formando acetaldehdo que puede derivar en la formacin de

crotonoaldehdo.

Este etileno se comprime y se mezcla con las dos corrientes de recirculacin, la

de agua y la de etileno, conformando as la alimentacin al reactor, alimentacin que

ha de calentarse hasta la temperatura ideal de reaccin (265 C). Esto se realiza en dos

fases; en la primera mediante un intercambio de calor con la corriente de salida del

reactor y en la segunda mediante un calentador, cuyo aporte de energa proviene o

bien de la quema de gas natural, o de biomasa.

Las condiciones industriales ideales para la operacin del reactor son las

siguientes [ULL07] [EST72]:

Condicin Valor

Temperatura, C 265

Presin, Mpa (atm) 7,115 (70,23)

Velocidad espacial, h-1 1727

Proporcin molar etileno-agua a la entrada 1,2


Rendimiento por paso 5,98

Tabla 5. Valores de las condiciones ideales de operacin

Esto indica que la temperatura del calentador debe fijarse a 265 C y que las


presiones de salida de bombas y compresor han de ser tales que contando con las

prdidas de carga la presin de entrada al reactor sea 70,23 atm. Sin embarg, la

relacin molar agua-etileno se vari con el objetivo de ahorrar energa (el agua tiene

que ser vaporizada) y se estableci en una proporcin 3:1. Esto hace que las otras

variables sufran ligeras modificaciones, quedando las variables del reactor de la

siguiente manera [ULL07]:

Condicin Valor

Temperatura, C 265

Presin, Mpa (atm) 7,115 (70,23)

Velocidad espacial, h-1 1727

Proporcin molar etileno-agua a la entrada 3


Rendimiento por paso 5,96

Selectividad a etanol, % 96,6

Selectividad a dietilter, % 3,4

Tabla 6. Valores de las condiciones escogidas para el reactor

Las reacciones que tienen lugar en el reactor son las siguientes:

CH2=CH2 + H2O CH3CH2OH (1)

2CH3CH2OH CH3CH2)2O +H2O (2)

C2H2 + H2O CH3CHO (3)

2CH3CHO CH3CH(OH)CH2CHO CH3CH=CHCHO + H2O (4)

Esto, junto con los datos de conversin y selectividad de la tabla anterior

proporciona la cantidad formada tanto de etanol como de dietilter. Despus de

consultar la bibliografa [LEV98] y de hacer pruebas de equilibrio en Aspen para

determinar la conversin de acetileno a crotonoldehdo, se llego a la conclusin de que

a la temperatura y presin de operacin del reactor, todo el acetileno se converta en

acetaldehdo pero solo una pequea parte de ste (un 0,2%) se transformaba en

crotonoaldehdo. El crotonoaldehdo tiene dos ismeros, pero en su inmensa mayora

se encuentra siempre en la forma cis-crotonoaldehdo.

En el reactor se produce una prdida de carga de unas 0,8-1 atmsferas. Para el

modelado se estableci en 0,8 atm el valor de esta prdida de carga

Segn datos consultados [ULL07] en la corriente de salida del reactor hay un 2%

p/p de dietilter formado como subproducto (2% tambin en el modelado con Aspen).

Adems, la corriente gaseosa ha de sufrir un incremento de temperatura de unos 20-

30 C [KIR07], que en la simulacin fue de 33,3 C.


A continuacin, la corriente de salida pasa por el intercambiador y luego es

despresurizada por medio de una serie de vlvulas hasta llegar al flash. Esta separacin

se hace a 54,6 C y 13 atm, para optimizar la recuperacin de etanol lquido por fondos

sin que se pierda excesivo etileno por ellos y posibilitando que la energa para

recomprimir ms adelante el gas de recirculacin sea lo ms baja posible. Estas

condiciones se eligieron despus de realizar numerosas pruebas con el simulador

Aspen, imponiendo como condicin mnima una recuperacin de etanol por fondos del

80% con una concentracin de entre el 25 y el 35% [ULL07]

Adems, la mayor parte del dietilter ha de irse por cabeza ya que se pretende

recircularlo al reactor para evitar que se forme ms. Un 81,77% del etanol de la

corriente de entrada se recupera por fondos con una concentracin de alrededor del

32,1% p/p.

La fraccin gas, que sale por la parte de arriba del flash, es sometida a un

lavado con agua para recuperar la mayor parte del etanol que queda presente en la

corriente. La recuperacin global del alcohol ronda el 99,5%, por lo que de la fraccin

de etanol que queda ha de recuperarse en un 97% (0,8177 + 0,1823x0,97 = 0,995). La

concentracin de etanol a la salida del lavador puede variar entre el 10 y el 25 %

[ULL07], estando el punto ptimo entre 12 y 14% p/p. Para la simulacin se fij un

13,9% p/p de etanol.

Estos dos datos definen el diseo del lavador, ya que especificando la

recuperacin de etanol deseada (97%) variando para ello la cantidad de agua de

entrada, solo queda ir probando con distinto nmero de etapas hasta que la

concentracin de etanol a la salida del lavador sea de un 13,9%.

La corriente gas que sale del lavador (en su mayor parte etileno) es purgada en

una pequea cantidad para evitar la acumulacin de inertes en el reactor,

recomprimida, mezclada con la alimentacin fresca y el agua de recirculacin e

introducida de nuevo en el reactor. La corriente de recirculacin tiene que cumplir dos

condiciones segn el proceso descrito en la bibliografa [KIR07]. Su concentracin de

etileno no puede bajar del 85% p/p y el porcentaje de inertes a la entrada del reactor

debe ser alrededor del 1% p/p. Estos dos requerimientos llevan a que la purga suponga

un 0,19% del total de la corriente gaseosa de salida del lavador, con una concentracin

de etileno en la corriente de recirculacin del 95,6% p/p y un porcentaje de inertes a la

entrada del reactor del 1%. La corriente de purga se devuelve a la planta de etileno


para ser purificada, pero esto est fuera del alcance del proyecto.

La fraccin lquida a la salida del lavador se mezcla con la del flash formando

una mezcla con un 26% p/p de etanol y pasan al proceso de purificacin del alcohol

que consta de dos etapas, una primera columna en la que se eliminan los ligeros

(principalmente dietilter) y otra en la que se produce la concentracin de etanol.

Ambas columnas son de platos perforados.

En la columna de ligeros se elimina el dietilter y las cantidades remanentes de

etileno y dems gases que permenecen como inertes en el proceso. La diferencia de

volatilidades entre el dietilter y el etanol es lo suficientemente grande como para que

se recupere un alto porcentaje de dietilter sin que salga etanol por la cabeza de la

columna y sin que se dispare el nmero de etapas o la relacin de reflujo en la

columna. Lo que determina la cantidad de dietilter a eliminar en la columna de ligeros

es la especificacin de que la corriente de etanol a la salida de la columna de

concentracin ha de tener una pureza mnima del 99,2%. Esto obliga a que la cantidad

de dietilter mnima eliminada en la primera columna es del 84% perdindose

solamente un 0,01% de etanol. La corriente de ligeros compuesta por dietilter en un

62,2% p/p y etileno en un 32,2% p/p, puede ser vendida ya que el dietilter tiene

cierto valor en el mercado. La columna de ligeros opera a 1,8 atm (presin del

condensador), debido a que esta presin ha de ser ligeramente mayor que la de la

columna de concentracin de alcohol, garantizando a su vez una buena separacin

entre el etanol y los compuestos ligeros. El condensador es parcial y el nmero de

etapas de equilibrio es de 9 (los criterios de diseo se explican en el apartado C.iii),

alimentndose en la segunda etapa.

La segunda columna es la de concentracin de etanol previa a la

deshidratacin. Esta columna opera a 1,4 atm (en el condensador). Esta presin viene

impuesta a partir de la presin de operacin en el tamiz molecular. El nmero de

etapas de equilibrio es de 39, alimentndose en la etapa 30.

En la columna de concentracin la mayor parte del etanol ha de irse por

cabeza, por lo que se especific que los fondos tuvieran una contenido residual de

alcohol del 0,05% p/p. Ms problemtico es fijar la concentracin ideal de alcohol en

cabeza, ya que es necesario un balance econmico que determine que parte del agua

ha de eliminarse en la columna y que parte en la deshidratacin con tamices

moleculares. Un estudio [SRI86] demuestra que la concentracin ideal de etanol a la

salida de la columna es de 92,4% p/p.


La corriente rica en etanol pasa a ser deshidratada con tamices moleculares de

3 de tamao. Las condiciones ideales para la deshidratacin son 1,2 atm y 140 C

[KOR08]. El tamao de la molcula de agua es de 2,8 por lo que se retendr en el

tamiz mientras que el etanol, cuya molcula mide 4,4 pasar a travs de l. El uso de

etanol como combustible necesita de una cantidad de agua mxima en l de 0,3% p/p,

lo que implica que ha de eliminarse el 96% del agua de una corriente al 92,4 % p/p de

etanol para cumplir los requerimientos. Las trazas de sustancias cuya molcula es ms

pequea que la del agua, tales como N2 o CO, tambin son adsorbidas por los tamices

mientras que las que son ms grandes de 3 salen con el etanol.

El agua, que sale por fondos de la columna de concentracin, se comprime y se

mezcla con las dos corrientes de etileno formando la corriente de entrada al reactor.

Previamente una parte del agua se separa para garantizar a la entrada de reactor una

relacin molar etileno/agua de 3 que como se especific anteriormente es la ideal para

que se produzca la reaccin. Por lo tanto, un 21% del agua ha de eliminarse de la

corriente de recirculacin al reactor. De este 12,9%, una parte se recircula al lavador y

otra parte se tira. Segn la bibliografa [ETH08] se conoce que en este tipo de

instalaciones se consumen alrededor de 0,5 toneladas de agua por tonelada de etanol.

Con esta condicin, el porcentaje de agua que se tira es del 5 % de lo separado

anteriormente.

A continuacin se muestra el diagrama de flujo de la planta, para una mejor

comprensin de lo anteriormente expuesto en este apartado:


Figura 9. Diagrama de flujo del proceso


C.- DISEO DE LA PLANTA PARA LA CAPACIDAD NOMINAL

En este apartado se definen primero las condiciones de entrada y salida de las

distintas materias primas secundarias necesarias. Posteriormente se explica cual ha

sido la metodologa seguida para implementar la planta con Aspen y se detalla cmo

ha sido el diseo de los distintos equipos. Por ltimo, se comparan los resultados

obtenidos en Aspen con los que proporciona la bibliografa para plantas reales.

i.- Datos de partida

Como ya se ha comentado antes, el principal dato de partida es que la planta se

disea para una capacidad de produccin nominal de 200.000 toneladas al ao. Fijado

este caudal de produccin y con las especificaciones mencionadas en el apartado

anterior se pueden calcular los caudales de las corrientes de servicio.

- Agua de enfriamiento (CW): es agua a 20 C y 4 bares de presin. Se considera que a

la salida del equipo el agua est a 80 C.

- Gas natural: Se considera un gas que en su totalidad est compuesto por metano y

que entra en la planta a una temperatura de 298 C.

- Biomasa: la biomasa empleada es una madera que entra en la planta a una

temperatura de 298 C, que contiene un 30% de humedad y con la siguiente

composicin en base seca:

Elemento %

Carbono 50,93

Hidrgeno 6,05

Oxgeno 41,93

Nitrgeno 0,17

Ceniza 0,92

Tabla 7. Composicin de la biomasa escogida

Su poder calorfico inferior es de 14,13 MJ/Kg

- Aire para combustin: Se considera que el aire proviene del ambiente y entra a la

planta a una temperatura de 298 C.

El resto de datos necesarios para los balances de materia y energa los obtiene

directamente el software para las condiciones calculadas y las bases de datos de las

que consta el programa.

ii.- Metodologa

En el diseo de la planta se va a emplear una metodologa basada en Aspen

Plus. Este programa es capaz de disear muchos equipos solo especificando las


condiciones de las corrientes de entrada y salida de los mismos.

Se pretenden simular, en la medida de lo posible, los equipos de la planta,

utilizando los datos de partida y las suposiciones expuestas. Para equipos ms

complejos como pueden ser las torres de destilacin, se basarn los clculos en datos

encontrados en la bibliografa para plantas similares y se analizar como estos se

ajustan a la simulacin.

Los equipos se van aadiendo poco a poco, al igual que las corrientes, y la

planta requiere que cada poco pasos la simulacin sea corrida para no generar errores

y otros tipos de problemas. Los equipos se irn diseando en el orden en el que

aparecen en el proceso de produccin. Para que el dimensionamiento de la planta sea

correcto se asume una corriente de recirculacin de agua de un caudal similar al que

se entiende se producir a la salida de la segunda torre de destilacin.

Los pasos a seguir para la realizacin del modelado son los siguientes:

1.- Compuestos considerados: hay que indicar en el apartado

Components/Specifications todos los componentes que van a aparecer en la planta en

un momento u otro, que son:

Componente

Etileno

Etano

Metano

Hidrgeno

Nitrgeno

Acetileno

Etanol

Dietilter

Acetaldehdo

Crotonoaldehdo

Tabla 8. Sustancias presentes en la simulacin

Adems, para la simulacin con biomasa en vez de gas natural hay que

introducir el componente complejo biomasa (Biomass), con la composicin que se

detall anteriormente y la ceniza (ASH).


2.- Eleccin del mtodo termodinmico: Esta eleccin depender de las

sustancias que forman el proceso y de los rangos de presin y temperatura a los que se

trabaja. La eleccin es crucial, ya que una mala eleccin del mtodo termodinmico

puede llevar a errores en la estimacin de las propiedades de las sustancias que

degeneren en desajustes importantes en el clculo global del proceso [CAR96]. En este

caso el mtodo termodinmico elegido es el UNIQUAC, mtodo ademado para tratar

mezclas binarias alejadas de la realidad como puede ser la de etanol-agua, cuya

separacin es la parte fundamental del proceso. Es un mtodo LACM de interaccin

binaria, es decir, un modelo basado en el clculo de coeficientes de actividad de las

mezclas no ideales de la fase lquida. Sin embargo, este mtodo no es adecuado para

trabajar a altas presiones, y el loop de reaccin de la planta diseada se encuentra a

una presin elevada. Para los equipos contenidos en ese loop, el mtodo

termodinmico especfico escogido es el UNIQUAC-RK, que hace uso de las ecuaciones

de estado de Redlich-Kwong y que es apta para presionas ms elevadas.

El simulador comercial Aspen Plus dispone de bases de datos de sustancias

puras, de mezclas multicomponentes, as como de mtodos estimativos para poder

aplicar el mtodo termodinmico seleccionado y calcular las propiedades necesarias

para llevar a cabo los balances de materia y energa.

Conviene comprobar si el mtodo termodinmico escogido predecir con

acierto las propiedades y el comportamiento de los componentes en la simulacin.

Para ello Aspen contiene una herramienta que calculas las propiedades de sustancias

puras o mezclas (Tools/Anlisis/Properties) y en la que se comprob que el mtodo

escogido era capaz de reconocer el azetropo que aparece en la mezcla etanol-agua

3.- Especificaciones de equipos: En la siguiente tabla se muestran las principales

especificaciones de los distintos equipos de la planta. Para una explicacin ms

detallada ellos conviene consultar el apartado 6.C.iii.


Equipo Especificacin Notas

Compresor 1

Modelo: COMPRESSOR

Tipo: Isentrpico

Eficiencia mecnica: 100%

Relacin de compresin:2,5

Eficiencia Isentrpica: 80%

Compresor 2

Modelo: COMPRESSOR

Tipo: Isentrpico

Eficiencia mecnica: 100%

Presin de descarga: 70,7 atm

Eficiencia Isentrpica: 80%

Adecua la presin a la presin requerida

de entrada al reactor (70,2 atm)

Bomba 1

Modelo: PUMP

Presin de descarga: 70,9 atm

Eficiencia:40%


de entrada al reactor (70,2 atm)

Bomba 2

Modelo: PUMP

Presin de descarga: 13 atm

Eficiencia: 40%


de operacin del lavador (12,6 atm)

Bomba 3

Modelo: PUMP

Presin de descarga: 70,7

Eficiencia: 40%


de entrada al reactor

Bomba 4

Modelo: PUMP


Eficiencia: 40%

Adecua la presin a temperatura

necesaria del vapor

Bomba 5

Modelo: PUMP


Eficiencia: 40%

Adecua la presin a temperatura

necesaria del vapor

Deshidratador

Modelo: SEP AP:0,07 bar.

Agua por corriente 34: 97% agua

entrada

Adecua concentracin de agua en etanol

a las especificaciones (0,03%)

Reactor Modelo: RSTOIC.

AP: 0,8 atm Duty: 0

Columna de

ligeros

Modelo: RADFRAC

Clculo: Equilibrio

Etapa alimentacin: 2

Condensador: Parcial

Nmero de etapas: 9

Columna de

etanol

Modelo: RADFRAC

Clculo: Equilibrio

Etapa alimentacin: 30 Nmero

de etapas: 39 Condensador:

Parcial

Saca concentracin de etanol ideal

(92,6%)

Lavador

Modelo: RADFRAC

Tipo clculo: equilibrio Presin

operacin: 12,6 atm.

Ajusta recuperacin de etanol


Condensador: No

Equipo Especificacin Notas

Flash 1

Modelo: FLASH.

AP:0,2 atm.

Temp:54,6 C

Flash2

Modelo: FLASH.

AP:0,2 atm.

Temp: 50 C

Intercambiador 1

Modelo: HEATER

AP: -3 psia

Temp corriente 36: 350 K

Intercambiador 2

Modelo: HEATER

AP: -3 psia


Intercambiador 3

Modelo: HEATER

AP: -3 psia

Temp corriente 9: 424,8 K

Intercambiador 4

Modelo: HEATER

AP: -3 psia


Intercambiador 5

Modelo: HEATER

AP: -3 psia


Adecua temperatura a la del agua de

lavado (293 K)

Intercambiador 6

Modelo: HEATER

AP: -3 psia

Temp corriente 33: 412,9 K

Adecua temperatura a la ideal del

deshidratador (413 C)

Intercambiador 7

Modelo: HEATE

R AP: -3 psia


Adecua temperatura a la del agua de

lavado (293 K)

Intercambiador 8

Modelo: HEATER

AP: -3 psia


Intercambiador 9

Modelo: HEATER

AP: -3 psia


Intercambiador 10

Modelo: HEATER

AP: -3 psia


Calentador

Modelo: HEATER

AP: -3 psia


Adecua temperatura a la ideal de

entrada del reactor (538 K)


Quemador etileno

Modelo: RGIBBS

Presin: 2 atm

Duty:0

Rgibbs considera todos los

componentes de la simulacin

como posibles productos

Quemador GN

(Caso 1)

Modelo: RGIBBS

P:1,2 atm.

Duty: 0




Quemador

biomasa (Caso 2)

Modelo: RGIBBS

P:1,2 atm. Duty: 0




Elementos auxiliares Especificacin Notas

Vlvula descompr.

Modelo: Valve.

Tipo de clculo: flash adiabtico

para una presin de descarga

especificada. Presin de

descarga: 13 atm.

Adecua la presin a presin de operacin

del lavador (12,6 atm)

Mezclador 1 Modelo: Mixer

AP:0

Mezcla todas las corrientes de entrada al

reactor

Mezclador 2 Modelo: Mixer

AP:0

Mezcla las corrientes de entrada al tren

de destilacin

Separador purga

Modelo: Splitter

AP:0

Porcentaje msico por corriente

22(Purga): 0,19%

Adecua la composicin de entrada al

reactor (menos 1% inertes)

Separador 1

Modelo: Splitter

AP:0 Caudal molar por corriente

43:2722 Kmol/h

Adecua la relacin molar de entrada

etileno/agua al reactor (3:1)

Separador 2

Modelo: Splitter

AP:0

Porcentaje msico en corriente

39: 5%

Adecua la relacin kg agua consumida/kg

de etanol producido

Tabla 9. Especificaciones de los equipos


4.- Especificaciones de diseo y calculadoras:

Las especificaciones de diseo aplicadas en la simulacin han sido las

siguientes:

- Columna de lavado: Se especific que, por cabeza, la recuperacin msica de

etanol con respecto del que entra a la torre fuera de un 97%, para as fijar una

recuperacin total del etanol entre la destilacin flash y el lavador del 99,5%.

Esto se logra haciendo cambiar el caudal de entrada de agua al lavador

(Corriente 13)

- Columna de ligeros: Se impuso que, por cabeza, la recuperacin msica de

dietilter con respecto a lo que entra en la columna fuera del 84%, valor que

proporciona que el etanol a la salida del deshidratador tenga la pureza

requerida. Esto se logra variando la relacin destilado alimentado.

- Columna de destilacin de etanol: Este equipo cuenta con dos Design

Specifications. Primero se impuso que la pureza msica del etanol en la salida

por cabeza fuera del 92,4%, porcentaje ptimo econmico segn la bibliografa

estudiada [SRI86]. Esto se logra variando el ratio destilado/alimentacin.

Despus, para garantizar escasas prdidas de etanol por fondos, se especific

una recuperacin msica por ellos del 0,05%. Esto se logra variando la relacin

de reflujo.

Para cada caso estudiado, (Gas natural y biomasa), la simulacin tiene una

calculadora. En ella, y a partir tan solo de datos de corrientes y equipos del

proceso importadas de Aspen tales como caudales, temperaturas, presiones,

potencias, etc. y algunos datos que proporciona la bibliografa, se procede al

diseo de todos los equipos que componen la planta. A partir de este

dimensionamiento, se calcula el coste base de cada uno de ellos. Una vez que

se conoce el coste base de los equipos que conforman la planta se puede llegar

a estimar el coste total de inversin de la misma, as como los costes de

operacin fijos. Los costes de operacin variables y los ingresos dependen

directamente de las entradas y salidas de materias primas y productos de la

planta (para lo cul tambin se hace uso de la importacin de variables de la

simulacin en Aspen). Todo ello permite hacer el clculo del coste de

produccin.

Cuando se ha realizado todo lo descrito anteriormente se procede a

implementar el modelo financiero, que incluye el clculo de la anualidad a

devolver, el anlisis de la deuda y el anlisis de flujos de caja.


iii.- Diseo de los equipos

A continuacin se van a describir los modelos utilizados para simular los

equipos en el simulador comercial Aspen Plus, explicando las opciones utilizadas,

los clculos realizados y los resultados obtenidos para cada tipo de equipo.

Se comienza describiendo el diseo de los equipos ms simples, como

bombas, mezcladores y divisores; y paulatinamente de equipos ms complejos

hasta llegar a las torres de destilacin y el reactor.

Los resultados finales del diseo de equipos, as como los datos de

partida estn recogidos de forma detallad en el Anexo.

- Bombas de impulsin. PUMP

En este tipo de equipos se puede especificar el incremento de

presin, la presin de salida, el ratio del incremento de presin o la

potencia consumida por el equipo. Tambin existe la opcin de

introducir en el programa una curva de funcionamiento del equipo. En

caso contrario Aspen Plus toma una curva de su base de datos que se

adapte a las condiciones fijadas.

El dato del rendimiento proporcionado por la bomba es opcional, pero

para la planta modelada, y despus de consultar la bibliografa [BAN94],

se estim en un 40% el rendimiento de todas las bombas de la planta.

Esto proporciona un dato del consumo elctrico ms acorde con la

realidad.

- Equipos de mezclado. MIXER

En estos equipos no es necesario aportar ningn dato adicional,

aunque se pueden especificar prdida de carga, y calor de mezclado.

- Equipos de divisin. SPLITTER

En este equipo se puede especificar el porcentaje (msico,

volumtrico o molar) de la corriente de entrada que sale por las de salida

o la cantidad total (msica, molar o volumtrica) que sale por estas

corrientes. Si el divisor tiene n salidas habr que especificar n-1

corrientes.

Como dato adicional (aunque no obligatorio) se puede


especificar tambin la prdida de carga.

- Vlvulas de control. VALVE

Las vlvulas son los elementos encargados de introducir

prdidas de carga. En ellas se puede especificar la presin de salida o la

cada de presin producida. Para el caso que nos atae, se consideran

adiabticas todas las vlvulas. La prdida de carga estar delimitada por

la exigencia del proceso aguas arriba y aguas abajo.

- Compresor. COMPRESSOR

En este tipo de equipos se puede especificar el incremento de

presin, la presin de salida, el ratio del incremento de presin o la

potencia consumida por el equipo. Tambin existe la opcin de

introducir en el programa una curva de funcionamiento del equipo. En

caso contrario Aspen Plus toma una curva de su base de datos que se

adapte a las condiciones fijadas.

El dato del rendimiento proporcionado por el compresor es

opcional, pero para la planta modelada, y despus de consultar la

bibliografa, se estim en un 80% [SAI07] el rendimiento de todos los

compresores de la planta. Esto proporciona un dato del consumo

elctrico ms acorde con la realidad.

- Intercambiadores de calor. HEATER

En general, los datos de partida de los intercambiadores de calor

son las corrientes de proceso (o una de proceso y una de servicio) y el

objetivo buscado. Segn el tipo de intercambiador de calor y si va a

haber o no cambio de fase, se determina para cada intercambiador el

coeficiente global de transferencia de calor U, segn la bibliografa y los

valores tpicos.

Para el caso del uso de corrientes de servicio, el calor a

intercambiar por las corrientes se puede calcular con un equipo HEATER,

y a partir de este dato, se puede estimar el flujo necesario de las

corrientes de servicio en cada caso.

Para el caso de intercambio de calor entre dos corrientes de

proceso, se colocan dos HEATERS (uno en cada corriente), desde uno de


los cuales sale una corriente de calor, debiendo de especificar en este

dos de los tres parmetros siguientes: Temperatura, presin y duty. Por

el contrario, en el HEATER al que le llega la corriente de calor solo es

necesario especificar una de las tres.

- Reactor. RSTOIC

Este equipo es un modelo de reactor de lecho fijo en el que se

producen unas reacciones levemente exotrmicas que aumentan

ligeramente la temperatura pero no tanto como para hacer necesaria la

refrigeracin.

En los reactores RSTOIC se pueden especificar cada de presin,

temperatura de salida y el duty. En este caso conviene especificar el

duty y la caida de presin producida en el reactor, calculando Aspen la

temperatura de salida, que sufrir un ligero incremento debido a la

exotermicidad.

Este tipo de reactores tambin requieren que se especifiquen las

distintas reacciones ocurrentes en ellos (especificando para ello su

estequimoetra), as como su extensin, pudiendo esta definirse como

una cantidad total de moles formados por unidad de tiempo o como un

conversin fraccional de los reactivos. Adems, hay que especificar si las

reacciones que se producen en el reactor ocurren en serie o no.

Las reacciones implementadas en el reactor son las siguientes:

(1) CH2=CH2 + H2O CH3CH2OH

(2) 2CH3CH2OH (CH3CH2)2O +H2O

(3) C2H2 + H2O CH3CHO

(4) 2CH3CHO CH3CH(OH)CH2CHO CH3CH=CHCHO + H2O

Las conversiones por paso y las selectividades que se impusieron son las

correspondientes a la tabla 6. Las reacciones 1 y 2, y 3 y 4, ocurren en

serie.

Adems, como datos opcionales a introducir se puede habilitar

una opcin para que el reactor genere reacciones de combustin, se

puede pedir al programa que calcule el calor de reaccin (as como este

puede ser introducido por el usuario) y tambin existe la posibilidad de

especificar la selectividad de los componentes para las distintas

reacciones.


- Quemador purga. RGIBBS

Este equipo es un modelo de un quemador al que se le alimenta

una corriente que es en su mayora etileno y otros compuestos,

identificando y calculando Aspen Plus los productos de esta combustin

y las propiedades fsicas (como la temperatura) de la mezcla resultante.

El RGIBBS hace uso de la energa libre de Gibbs para identificar estos

posibles productos.

Para este tipo de reactores, es necesario especificar dos de los

siguientes parmetros: temperatura, presin y duty, habindose

especificado para este caso la presin de salida de la mezcla gaseosa (2

atm) y un duty de 0.

Si no se especifica lo contrario, el RGIBBS identificara como

posibles productos todos los componentes, pero tambin se puede

identificar posibles productos manualmente y especificar en que fase

aparece cada uno de ellos. En este caso se especific que Aspen Plus

identificara a todos los componentes como posibles productos.

- Quemador gas natural y biomasa. RGIBBS

Este equipo es un modelo de un quemador al que se le alimenta

una corriente o bien de gas natural, o bien de biomasa, identificando y

calculando Aspen Plus los productos de esta combustin y las

propiedades fsicas (como la temperatura) de la mezcla resultante. El

RGIBBS hace uso de la energa libre de Gibbs para identificar estos

posibles productos.

Para este tipo de reactores, es necesario especificar dos de los

siguientes parmetros: temperatura, presin y duty, habindose

especificado para este caso la presin de salida de la mezcla gaseosa

(1,2 atm) y un duty de 0.

Si no se especifica lo contrario, el RGIBBS identificara como

posibles productos todos los componentes, pero tambin se puede

identificar posibles productos manualmente y especificar en que fase


aparece cada uno de ellos. En este caso se especific que Aspen Plus

identificara a todos los componentes como posibles productos para el

caso del gas natural, mientras que para el caso de biomasa se le

introdujo manualmente cuales eran los posibles productos.

- Deshidratador. SEP.

Este equipo es un modelo de un tamiz molecular de 3

armstrongs cuyo objetivo es retener el agua mientras deja pasar el

etanol. Se considerar que todo el etanol pasa por el deshidratador, y

que el 97% del agua es retenida. Para los compuestos cuyas molculas

tienen un dimetro ms pequeo que el del etanol, se considerara que

pasan en su totalidad por el tamiz, mientras que para los compuestos

con un dimetro mayor que el del agua, se supone que quedan

retenidos en su totalidad.

En el SEP, hay que especificar que porcentaje de cada

componente de entrada sale por cada corriente de la salida, o bien que

cantidad total sale por cada una de estas corrientes. Tambin es

necesario introducir la presin resultante, o la cada de presin en el

equipo. Adems, se pueden introducir muchos datos sobre cada una de

las corrientes, como su temperatura, fraccin de vapor, etc.

- Separador. FLASH

El separador flash tiene como objetivo separar los componentes

ms voltiles de una mezcla. Para ello se despresuriza la mezcla, y por

equilibrio, se produce la separacin. Los parmetros que definen al

separador son dos, a especificar entre temperatura, presin y duty. Para

el caso que atae se especifican temperatura (54,6 C) y cada de

presin (0,2 atm). De esta forma la corriente de proceso queda entorno

a las 12,8 atm.

Para estas condiciones, casi todo el etanol y el agua estn en fase lquida

y el resto de los componentes se encuentran en su mayora en estado

gaseoso.

- Lavador. RADFRAC

El lavador se modela como una torre de destilacin, pero

especificando que tanto el condensador como el reboiler no estn


incluidos. Es imprescindible especificar el nmero de etapas, en cual de

ellas entra cada corriente y las fases admitidas.

Tal y como se explic en el apartado anterior, el nmero de

etapas se determina con los condicionantes de la recuperacin global de

etanol y la concentracin de ste a la salida del lavador. As se llega a la

conclusin de que el nmero de etapas es de trece. En la etapa 1

(cabeza) se introduce el agua de proceso y se obtiene la corriente

gaseosa de producto. En la etapa 13 se introduce la corriente gaseosa

que proviene del separador flash y se obtiene la corriente de agua con el

etanol y pequeas cantidades del resto de componentes.

En este caso el lavador es una torre de platos. Se definieron los

platos como platos perforados (Sieve) [PET91], con un espacio entre

ellos de 0,5 metros y con un porcentaje de flujo sobre el de inundacin

del 80% . El dimetro de la torre se calcula mediante la herramienta

Tray Sizing , proporcionada por Aspen. Esta herramienta proporciona un

dimetro para el lavador de 3,24 m.

El lavador posee adems una especificacin de diseo, que es una

herramienta que proporciona Aspen para facilitar el clculo de algunos

parmetros cuando se esta en la etapa de diseo del equipo, en la que

se impone que la recuperacin de etanol en el equipo ha de ser del 97%,

modificando para ellos segn sea necesario, la cantidad de agua de

proceso que entra en el lavador.

- Torres de destilacin. RADFRAC

Las torres de destilacin son un modelo RADFRAC (el ms

detallado y realista que ofrece Aspen). En ambas se opt por un modelo

con condensador parcial, ya que se desea que la corriente de salida la

torre se encuentre en fase vapor y, as, ofrece mejores resultados desde

un punto de vista energtico.

Como primer paso se deben especificar, el nmero de platos, el

tipo de condensador y el reboiler (que se eligi de tipo Kettle), as como

dos de los parmetros que nos exige el programa (en este caso relacin

de reflujo y relacin destilado/alimentacin). Sin embargo, este ltimo


parmetro, se variar para hacer cumplir la condicin de recuperacin

de dietilter por cabeza.

Para calcular el nmero de etapas que debe de tener una

columna de destilacin para obtener el resultado deseado Aspen cuenta

con le mdulo DSTWU. En este modelo se indica la fraccin del

componente llave ligero y llave pesado que se quiere recuperar en el

destilado. Sin embargo, los resultados obtenidos por este mtodo no

proporcionan resultados satisfactorios al implementar una columna de

tipo RADFRAC con ellos, ya que la demandas energticas se disparaban.

Al final, se lleg a una solucin de compromiso segn la cual e la

torre de destilacin de ligeros debe tener 9 etapas y alimentarse en el

segundo plato, mientras que la torre de destilacin de etanol ha de

tener 39 etapas, producindose la alimentacin en la nmero 30.

Tambin es necesario especificar la presin de la etapa de colas

(presin del condensador), que en ambos casos est ligeramente por

encima de la atmosfrica (1-2 atm)

Ambas torres son de platos, por lo que hay que indicar el tipo de

platos, el espaciamiento entre ellos, el dimetro y la altura de la torre,

etc.

Tal y como ocurra con el lavador, Aspen Plus presenta un

apartado denominado Tray Sizing en el que, introduciendo el tipo de

platos y el espaciado entre ellos calcula el dimetro ptimo de la torre.

Ambas torres estarn compuestas por platos Sieve (perforados) [PET91].

En ambas torres el espacio entre platos ser de 0,5 metros

obtenindose un dimetro de 1,81 y 3,18 m respectivamente para la

columna de ligeros y la de destilacin de etanol.

En la torre de destilacin de ligeros hay una especificacin de

diseo, que es que el dietilter recuperado sea un 84% del que entre.

Para ello se vara la relacin destilado/alimentacin.

La torre de destilacin de etanol posee dos especificaciones de

diseo; una indica que la fraccin msica de etanol por cabeza ha de ser


del 92,4 %, variando para ello la relacin Destilado/alimentacin y otra

impone una concentracin de etanol por fondos del 0,05% variando la

relacin de reflujo.

iv. Comparativa con datos de referencia.

La bibliografa ha sido de mucha utilidad a la hora de disear la

planta. Este diseo se ha realizado intentando seguir unas premisas

principales que a continuacin se describen y se comparan con los

resultados obtenidos.

- El rendimiento global de la planta con respecto al etileno

es de un 92% [ETH08]. Despus del diseo de la planta se

obtiene un rendimiento con respecto al etileno del 92,56%.

- La planta debe autosatisfacer todas necesidades calorficas

si la purga es quemada, excepto las referentes al

calentador previo al reactor, para lo que se usa o bien gas

natural, o bien biomasa [KIR07]. Esto se consigue en

la simulacin de la planta.

- Se consumen 0,5 toneladas de agua por tonelada de etanol

producido [ETH08]. Al realizar la simulacin se comprob

que la cantidad de agua consumida era menor, por lo que

se introdujo un separador que purga una parte del agua

que podra se recirculada al lavador.

d. INTEGRACIN ENERGTICA DE LA PLANTA

El aprovechamiento de energa trmica en una planta,

poniendo en contacto corrientes calientes que se desean enfriar (o que

no importa cual sea su temperatura) con corrientes que han de ser

calentadas, ha de ser uno de los principales objetivos en cualquier

industria, minimizando as costes tanto de operacin (haran falta

combustibles para calentar) como los de inversin (necesidad de menos

equipos e instalaciones). Para ello, es necesario un estudio detallado de

las necesidades calorficas, el rango de temperatura en el que se

mueven tanto la corriente caliente como la fra, y la posibilidad de

cruzamiento de la misma debido a condensaciones o evaporaciones.

Para la simulacin propuesta, hay varias necesidades

calorficas de distinta magnitud y rango de temperatura. Estas son:

- La alimentacin de etileno (Corriente 2) proviene de un proceso


criognico y se encuentra a temperaturas muy bajas (-28,6 C). Esta

corriente se calienta ponindola en contacto con la corriente de salida del

deshidratador (Corriente 35) que se encuentra a 140 C, consiguiendo la

evaporacin del etileno y una apreciable elevacin en su temperatura.

- La corriente de alimentacin que entra al reactor ha de estar a 265 C

para que la reaccin se produzca segn las condiciones de reaccin. Se

requieren para ello 51,62 MW de potencia calorfica (suponiendo que la

temperatura de la que parte es la que proporciona la simulacin, 115,6 C).

Esto se realiza en dos pasos. En una primera etapa, y tal y como indica la

bibliografa, la alimentacin (Crriente 4) se pone en contacto con la salida

del reactor (Corriente 7) que se encuentra a 298,3C. Obviamente las dos

corrientes tienen el mismo caudal msico. Aunque en un principio se

pudiera pensar que el calentamiento hasta 265 C puede realizarse

completamente en esta etapa, se producen cruces de temperatura, que

fueron estudiados para distintas temperaturas de salida de la correinte a

calentar, determinndose que para que no exista cruzamiento y la fuerza

impulsora de transmisin de calor tenga un valor apreciable, la

temperatura mxima a la que se puede calentar la alimentacin en esta

primera etapa es de 250C.

En una segunda etapa, la alimentacin (Corriente 5) se calienta hasta los

265 C ponindola en contacto con la corriente de salida de un quemador

de gas natural (Corriente 57) (caso 1) o de biomasa (caso 2).

- La torre de ligeros tiene una necesidad calorfica en el reboiler que

asciende a los 4,88 MW. Segn la bibliografa, la corriente de gases de

purga se devuelve a la planta de etileno con la que esta concatenada la

planta aqu descrita, para proceder a su re purificacin. Sin embargo, el

objetivo de este proyecto en particular es satisfacer las necesidades, dentro

de lo posible, con recursos propios. As, se decidi quemar esa corriente

rica en etileno y el calor en ella (Corriente 49) generado es suficiente para

producir un vapor de media presin (concretamente a 5,3 bares) que

satisfaga las necesidades calorficas del rebolier). Sin embargo, cabe

resear que esta opcin es tremendamente desacertada desde el punto de

vista econmico, dado el alto precio del etileno como materia prima.

- El vapor anteriormente producido por la quema de la corriente de purga


(Corriente 49), es ms que suficiente para cubrir las necesidades del

reboiler, haciendo falta solamente el 88,5% de este para la torre. El resto es

capaz de calentar hasta la temperatura requerida (140 C) la mezcla de

etanol y agua que entra en el deshidratador (corriente 32), producindose

as la deshidratacin en las condiciones idneas de temperatura.

pfc germán gonzález gil

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