Destilación etanol-agua PDF

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Destilación etanol-agua reactor ...

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Contenido Fundamento...............................................................................................................3 Simulación del destilación Etanol-Agua en PRO/II...................................................5 Conclusión...............................................................................................................13 Apéndice..................................................................................................................14 Bibliografía...............................................................................................................15

Fundamento La destilación es una operación de separación que se usa en casi todos los procesos industriales, esta se basa en la diferencia de los puntos de ebullición de los componentes de determinada mezcla. La palabra azeótropo aparece cuando, dichos puntos de ebullición a una concentración determinada están muy cercanos impidiendo la separación de alguno de esos componentes; sin embargo, al añadir un tercer componente a la mezcla inicial, el compuesto de interés puede ser separado a una mayor concentración que la obtenida por destilación simple; esto es el fundamento de la destilación azeotrópica. La operación unitaria de destilación es un método que se usa para separar los componentes de una solución líquida, el cual depende de la distribución de estos componentes entre una fase de vapor y una fase líquida. Ambos componentes están presentes en las dos fases. La fase de vapor se origina de la fase líquida por vaporización en el punto de ebullición. El requisito básico para separar los componentes por destilación consiste en que la composición del vapor sea diferente de la composición del líquido con el cual está en equilibrio en el punto de ebullición de este último. La destilación se basa en soluciones en las que todos los componentes son bastante volátiles, como soluciones amoniaco-agua o etanolagua, en las que ambos componentes también están en fase de vapor. La rectificación (fraccionada) o destilación por etapas con reflujo se puede considerar desde un punto de vista simplificado como un proceso en el cual se lleva a cabo una serie de etapas de vaporización instantánea, de manera que los productos gaseosos y líquidos de cada etapa fluyen a contracorriente. El líquido de una etapa se conduce o fluye a la etapa inferior y el vapor de una etapa fluye hacia arriba, a la etapa superior. Por consiguiente, en cada etapa entra una corriente de vapor Y y una corriente líquida L, que se mezclan y alcanzan su equilibrio, y de dicha etapa sale una corriente de vapor y una corriente de líquido en equilibrio. Los diagramas de punto de ebullición y gráficas XY con frecuencia muestran las relaciones de equilibrio vapor-líquido de una mezcla binaria de A y B se expresan en forma de un diagrama de puntos de ebullición, como el que se muestra en la Ilustración 5 para el sistema de Etanol-Agua, a presión total de 101.32 kPa. La línea superior es del vapor saturado (línea de punto de rocío) y la línea inferior es del líquido saturado (línea de punto de burbuja). La región de dos fases está localizada en la zona situada entre estas dos líneas. La separación de mezclas azeotrópicas en fracciones de elevada pureza constituye uno de los problemas técnicos y económicos más importantes y

retadores de la industria de procesos químicos. Las políticas ambientales como la Ley 693 de 2001 del Ministerio de Minas y Energía de Colombia, donde se reglamenta que la gasolina debe contener un 10% en volumen de etanol, el cual por limitaciones técnicas debe poseer un contenido muy bajo de agua, obligan a desarrollar procesos rentables para la producción de etanol anhidro. Las mezclas etanol-gasolina, poseen una baja tolerancia al agua, la cual disminuye al incrementar el porcentaje de etanol o la temperatura. Si la temperatura del motor de un vehículo baja y se sobrepasan los valores máximos permitidos de contenido de agua se forman dos fases se comienzan a generar problemas en el funcionamiento del motor. En este sentido, la producción de etanol anhidro se convierte en una prioridad a nivel ambiental, tecnológico y económico. En tal dirección, los resultados de la presente investigación se convierten en una contribución importante hacia el desarrollo de un proceso industrial tecnológicamente factible, sin embargo, es necesario realizar un estudio económico para determinar su viabilidad. la separación del sistema etanol-agua se hace con destilación azeotrópica, usando benceno, pentano o dietil éter como solventes, o mediante destilación extractiva empleando etilenglicol o gasolina; estas tecnologías, sin embargo, involucran altos costos de capital y de operación [1]. El uso del pentano, por ejemplo, es efectivo, pero requiere altas presiones, mientras que con etilenglicol la proporción del solvente en el alimento es demasiado alta, normalmente 5:1, lo que incrementa el consumo energético. El principal método de destilación se conoce como destilación continua, el cual como su nombre lo indica, es un proceso continuo y se considera el método tradicional. Hay otros tres tipos de destilación principales usados en la industria de alimentos y bebidas: por vapor, vacío y por tandas. La destilación por tandas es la forma más simple de destilación, donde los líquidos hierven y el vapor resultante se condensa para ser usado posteriormente. La destilación por vapor introduce vapor de agua dentro del proceso; esto permite realizar la destilación a una temperatura más baja que la temperatura a la que hierve el líquido que podría producir una separación de sustancias no deseada. La destilación por vacío es una versión avanzada de la destilación por vapor. En esta, se reduce la presión del ambiente y por consiguiente disminuye aún más el punto de ebullición del líquido (NZIFST, 1983). La densidad es una medida fisicoquímica que permite calcular la concentración de una solución, por lo tanto las muestras de líquido y vapor condensado se puede medir por densidad, utilizando para ello un densímetro. Esta información es fundamental para la elaboración de una curva de calibración de densidad frente a la concentración expresada de cualquier forma (Resa, Gonzalez, Ruiz, & Lanz, 1998). Para el proceso de destilación utilizado en esta investigación, se usó una columna de destilación UDCC que está compuesta por un calderín sobre el cual se adapta la columna de platos, un sistema de reflujo, un depósito

para la recepción del destilado, una bomba de vacío y una bomba para efectuar la alimentación en continuo. Simuladores de Procesos. Simuladores dedicados fundamentalmente a la industria con el objetivo de mejorar e incrementar la eficiencia de estas a permitir hacer simulaciones de diferentes procesos antes de que ocurran en realidad, las cuales producen resultados que pueden ser analizados para una futura realización de estos. Existe una gran variedad de simuladores de procesos comerciales, algunos de las cuales son poderosas herramientas de cálculo, con inmensos bancos de datos que contienen las propiedades físicas de miles de compuestos y sustancias químicas, selección de modelos termodinámicos, cálculos de equipos (teórico y real), análisis de costo, estado de agregación y condiciones de operación, que le dan al simulador la ventaja de una gran versatilidad.

HYSYS

Simulador de Procesos HYSYS, utilizado fundamentalmente en la esfera industrial HYSYS es un programa interactivo enfocado a la ingeniería de procesos y la simulación, que se puede utilizar para solucionar toda clase de problemas relacionados con procesos químicos. Este simulador cuenta con una interfaz muy amigable para el usuario, además de permitir el empleo de operadores lógicos y herramientas que facilitan la simulación de diversos procesos. Fue adquirido por AspenTech en el 2004 por lo que es desarrollado en la actualidad por Aspen Technology. Es un simulador bidireccional,ya que el flujo de información va en dos direcciones (hacia delante y hacia atrás). De esta forma, puede calcular las condiciones de una corriente de entrada a una operación a partir de las correspondientes a la corriente de salida sin necesidad de cálculos iterativos. Posee un entorno de simulación modular tanto para estado estacionario como para régimen dinámico. Es un software para la simulación de plantas petroquímicas y afines. El Sistema Avanzado para Ingeniería de Procesos - Advanced System for Process Engineering (ASPEN) Es un mercado líder en herramientas de modelado de proceso de diseño conceptual, optimización y monitoreo de desempeño para la industria química, polímeros, especialidades químicas, metales y minerales. Desarrollado en la

década de 1970 por investigadores del Massachusetts Institute of Technology (MIT) y comercializado desde 1980 por una compañía denominada AspenTech. Aspen Plus es un simulador estacionario, secuencial modular (en las últimas versiones permite la estrategia orientada a ecuaciones). Actualmente es posible que sea el más extendido en la industria. Se ha utilizado para modelar procesos en industrias: química y petroquímica, refino de petróleo, procesamientos de gas y aceites, generación de energía, metales y minerales, industrias del papel y la pulpa y otros. Aspen Plus tiene la base de datos más amplia entre los simuladores de procesos comerciales, e incluye comportamiento de iones y de electrolitos. Además, modela y simula cualquier tipo de proceso para el cual hay un flujo continuo de materiales y energía de una unidad de proceso a otra. Posee herramientas para cálculos de costes y optimizaciones del proceso, generación de resultados en forma gráfica y en tablas y otros. CHEMCAD nace en 1984 cuando un profesor universitario formó un equipo para desarrollar un simulador de procesos para computadoras personales PC. El simulador fue vendido a la sección de software de McGraw Hill (COADE) y luego siguió siendo desarrollado y distribuido por Chemstations Inc. CHEMCAD ha venido evolucionando durante estos años para convertirse en un paquete de módulos que abarca cálculo y diseño de intercambiadores de calor (CC-THERM), simulación de destilaciones dinámicas (CC-DCOLUMN), simulación de reactores por lotes (CCReACS), simulación de destilaciones por lotes (CC-BATCH), simulación de redes de tuberías (CC-SAFETY NET). Recientemente ha sido puesta a la venta la versión 6 de CHEMCAD con una nueva interface de usuario y otras propiedades adicionales. Este sistema es muy usado en todo el mundo, para el diseño, operación y mantenimiento de procesos químicos en una gran variedad de industrias incluyendo la exploración de petróleo y gas; y naturalmente en procesos químicos, farmacéuticos, biocombustibles y procesos de fábricas industriales. De forma general este software, como una herramienta de productividad tiene muchas ventajas entre las que cabe mencionar las siguientes:

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Incremento en la productividad por el uso de información obtenida a partir de la simulación diaria de cálculos relacionados con las condiciones de operación. Maximizar la rentabilidad de las operaciones por el diseño más eficiente de nuevos procesos y equipos. Reducción de costos e inversiones de capital por la optimización y solución de los cuellos de botella existentes en los procesos y en los equipos.

ProModel

Simulador de Procesos Industriales “ProModel” es un programa de simulación de procesos industriales, permite simular cualquier tipo de proceso de manufactura, además de procesos logísticos, procesos de manejos de materiales y contiene excelentes simulaciones de talleres, grúas viajeras, bandas de transporte y mucho más. En teoría, cualquier sistema de procesos puede ser modelado en computadora, solo se necesita de esfuerzo e ingenio, además de las herramientas que nos permitan plasmar nuestro pensamiento en un modelo computarizado, una de esas herramientas es “ProModel”, en el cual se puede crear un modelo computarizado de todo proceso de manufactura y una vez realizado el modelado, se podrá simular sobre el una gran cantidad de situaciones como Justo a Tiempo, Teoría de Restricciones, Sistemas de Empujar y Jalar, Logística y muchas otras más. Además de permitir el simulado de acciones, nos enseña como optimizar los procesos en la misma, y así obtener los mejores con el consumo mínimo de recursos, para dicha tarea, el sistema cuenta con 2 optimizadores. “ProModel” es un paquete de simulación que no realiza solamente el simulado, sino también optimiza los modelos ingresados. Corre bajo el sistema operativo Windows y sus requerimientos mínimos son un procesador 486, 32 MB de RAM, 2 MB de espacio en Disco Duro.

Simulación de destilación Etanol-Agua en PRO/II. En la siguiente simulación de una torre de destilación de 20 platos se pretende destilar etanol-agua por el método UNIQUAC, para obtener un destilado de .85 fracción molar de etanol. La corriente de alimentación entra a 25°c y 1 atm, el flujo es de 1000kgmol/hr, las fracciones molares son, Etanol=0.65 y Agua=0.35, la cuál entra en el plato #5. Se seleccionan los componentes en component selection/select from lists/ Procces bank

Seleccionamos el método UNIQUAC para dos componentes en thermodynamic data/ most commonly used/ UNIQUAC

UNIQUAC es un modelo de coeficiente de actividad utilizado en la descripción de equilibrios de fase. El modelo es un denominado modelo de red y se ha derivado de una aproximación de primer orden de las superficies de moléculas interactivas en termodinámica estadística. Sin embargo, el modelo no es completamente termodinámicamente consistente debido a su enfoque de dos mezclas líquidas. Comenzamos seleccionando de la barra lateral la columna fraccionada “distillation”

Una vez que se tiene la columna de destilación con rehervidor, condensador y de 20 platos se añaden las corrientes de entrada y salida en Streams, donde S1 es la alimentación, S2 es el destilado y S3 son los fondos.

Ilustración 1Torre de destilación

Se declaran las condiciones de entrada en la corriente S1, donde la temperatura de entrada es de 298.15°K y la presión es de 1atm

También se definen las composiciones en “Flowrate and composition” donde el flujo de entrada es de 1000kgmol/hr y las fracciones molares de etanol=0.65 y agua=0.35

Se definen las condiciones de la torre fraccionada, dando click sobre ella y declarando las variables,   

Pressure profile: la presión es de 1atm y la caída de presión es de 5psia Feeds and products: La corriente de alimentación entra en el plato #5, declaramos el flujo de la corriente S2=100kgmol/hr Performance specifications: las especificaciones de la columna es obtener un destilado de 0.82 mol de Etanol y una relación de la tasa de flujo del líquido que ha regresado a la columna de destilación de 2.5

Se corre la simulación y se impriman los resultados en output/Stream Property Table y se coloca la tabla en cualquier lugar dentro de la hoja de simulación, se da doble click a la tabla para seleccionar los valores que deseamos que nos muestre en la tabla.

Se selecciona Material Balance List, para que arroje el balance de materia de todo el proceso, incluimos las tres corrientes S1, S2 y S3.

Ilustración 2Torre de destilación y balance de materia en cada corriente Se obtiene un destilado de 0.758 mol de etanol y .242 mol de agua.

Ilustración 3Fracción molar del etanol y agua para fase líquido y vapor en la torre de destilación en cada plato.

Conclusión Dada la importancia que tiene producir alcohol para adicionarlo a las gasolinas, es necesario tener un conocimiento más completo de las tecnologías de deshidratación del etanol. La relación de reflujo tiene un efecto en las eficiencias de la columna en precios de alimentación y destilado y en la composición de destilado y fondos. A menor tasa de reflujo se reduce la pureza del etanol en el destilado. A una mayor tasa de reflujo obtenemos una mayor pureza del etanol, sin embargo, aumenta los costos operativos. En la ilustración 3 podemos observar que a medida que avanzó la destilación, la concentración de la mezcla en el calderín disminuyó, esto significa que se hace más pobre en el componente más volátil como es el caso el etanol. Para el caso del destilado obtenido, ocurrió lo contrario, es decir, se hizo más rico en el componente más volátil (etanol).

Apéndice

Ilustración 4 Diagrama T-X-Y etanol-agua

Ilustración 5 Diagrama X-Y etanol-agua

Bibliografía Coelho, T. C., Souza, O., Sellin, N., Medeiros, S. H. W., & Marangoni, C. (2012). Analysis of the reflux ratio on the batch distillation of bioethanol obtained from lignocellulosic residue. Procedia Engineering, 42, 131-139.

Gil, I. D., Uyazán, A. M., Aguilar, J. L., Rodríguez, G., & Caicedo, L. A. (2008). Separation of ethanol and water by extractive distillation with salt and solvent as entrainer: process simulation. Brazilian Journal of Chemical Engineering , 25(1), 207-215.

Lauzurique-Guerra, Y., Pérez-Ones, O., Zumalacárregui-de Cárdenas, L., & RojasMateo, D. (2017). SIMULACIÓN DE LA DESTILACIÓN EXTRACTIVA CON SALES PARA LA OBTENCIÓN DE ETANOL DESHIDRATADO. Revista Mexicana de Ingeniería Química, 16(3), 1053-1064....