UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU

FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA

“Un Ingeniero Químico, una Empresa“

ASIGNATURA : ANALISIS YSIMULACION DE PROCESOS

CATEDRÁTICO: INGENIERO GUEVARA YANQUI PASCUAL

INTEGRANTE : ANCHIRAICO ORIHUELA, Jose Luis

MATA CORDOVA DAYSY

MIGUEL VASQUEZ SANDRA

SEMESTRE: IX

SECCIÓN : A

HUANCAYO-PERÚ

2010

INTRODUCCIÓN

SIMULACION POR CHEMCAD Y ASPEN PLUS PARA LA RECUPERACION DE ETHANOL, Y ALCHOLES PESADOS A PARTIR DE ACEITES DE FUSSEL

Durante El desarrollo de las fermentaciones alcohólicas además de la

producción de etanol siempre se genera una pequeña fracción de otros

componentes que forman una mezcla compleja constituida principalmente por

alcoholes superiores y en mucho menor medida por ácidos y esteres derivados

de los alcoholes más abundantes y cuya importancia radica en el desarrollo del

flavor.

Estos productos o constituyentes menores del “beer” o solución acuosa

obtenida del fermentador se presentan en proporciones muy variables y

dependientes de factores tales como la naturaleza y composición del material

crudo utilizado para la fermentación (granos, molasas, etc.), las condiciones en

los que ésta se ha desarrollado, (aireación, agitación, etc.) y el tipo de

microorganismo actuante.

Entre los diferentes productos formados debe destacarse el glicerol que puede

alcanzar valores promedio de 1.0 % p/v en las diferentes fermentaciones

alcohólicas. Aún cuando se puede eliminar fácilmente en el residuo acuoso en

la primera etapa de concentra, su concentración es no deseable porque

disminuye la producción total de etanol.

Junto a una fracción de etanol los restantes alcoholes superiores generados,

que presentan una variación cualitativa y cuantitativa muy amplia, conforman lo

que habitualmente se conoce como aceites de Fusel y están constituidos

principalmente por n-propanol, butanol, alcohol isoamílico y otros en proporción

más reducida.

Se ha reportado niveles de aceites de Fusel de hasta 0.12% p/p del sustrato

inicial en fermentaciones normales de maíz y, pese a que presentan alguna

dificultad para su eliminación, igual deben extraerse dado que aún en

pequeñas proporciones poseen una toxicidad importante y degradan la calidad

de etanol o “neutral spirits” empleado en la elaboración de bebidas alcohólicas.

Esto se realiza en la etapa de rectificación.

Su aprovechamiento tiene verdadera importancia en países con volúmenes de

producción de etanol elevados.

A los fines de evaluar el potencial económico que plantea el tema en cuestión,

se cita una producción mundial de alcohol etílico o etanol de 31.2 billones de

litros de los cuales el 93% es obtenido por fermentación.

OBJETIVOS

Analizar por simulación el proceso de recuperación de distintos alcoholes,

etanol, n-propanol e isoamílico (3 metil 1 butanol), a partir de los

denominados aceites de Fusel evaluando alternativas de separación

mediante el empleo de destilación continua y batch respectivamente.

Definir y compara sus condiciones operativas para realizar una separación

primaria de los respectivos alcoholes.

METODOLOGÍA

El trabajo se ha desarrollado a partir de la hipótesis de acumulación para su

tratamiento posterior de alcoholes que se obtienen como corriente secundaria

de un rectificador que opera en forma continua en una destilería a partir de un

“beer” producido por fermentación.

El etanol y el n-propanol presentan solubilidad total en agua en tanto que las

correspondientes a los alcoholes C4 y superiores disminuyen significativamente

al aumentar su peso molecular, sin embargo, la presencia del etanol y el n-

propanol conforman un solución alcohólica que permite una solubilidad total del

resto de los componentes de la fracción a procesar.

En razón de esto, durante la operación de algunos rectificadores continuos, la

corriente secundaria se separa a un tanque e inmediatamente se diluye

drásticamente por agregado de agua para generar una fase con los inmiscibles.

Sin embargo esto diluye casi completamente la fracción de los que presentan

solubilidad total y su recuperación implica luego una mayor demanda

energética.

MARCO TEORICO

DESTILACIÓN MULTICOMPONENTE

NUMERO MINIMO DE ETAPAS:

Ecuación de FENSKE:

Nm=

log [( xLKxHK )D( xHKxLK )

B❑]

log (∝LK 7HK )avg

Donde:

Nm: Numero mínimo de etapas incluyendo el hervidor

(∝LK 7HK )avg : Volatilidad relativa del componente clave ligero con respecto al

componente clave pesado. Promedio geométrico.

Sub indices:

LK : Ligth key

HK : Heavy key

D: Destilado

B: Fondo

∝i=k ik1+ k

; k i=y ix i

Si hay una diferencia en las volatilidades relativas en el tope y en el fondo de la

columna, un mejor estimado del número de etapas puede hacerse calculando

el número de etapas en la sección de rectificación y agotamiento

separadamente.

RELACION DE REFLUJO MINIMO (Rm)

ECUACIÓN DE UNDERWOOD:

∑ ∝ir . x iD∝ir−θ

=Rm+1

Donde:

∝ir : Volatilidad del componente “i” con respecto algún componente de

referencia, usualmente el “HK “ (componente clave pesado).

θ : Raíz de la siguiente ecuación

∑ ∝ir . x iF∝ir−θ

=1−q

Donde:

q : Condición de alimentación

xLK>θ>xHK

UBICACIÓN DEL PUNTO DE ALIMENTACION

ECUACIÓN DE KIRKBRIDE:

[ N rN s]=[( BD )( xHKx LK )( xLK , BxHK ,B )

2]0.206

Donde:

N r : numero de etapas sobre la alimentación incluyendo cualquier condensador

parcial

N s: numero de etapas debajo de la alimentación incluyendo cualquier el

rehervidor o reboiler.

DESTILACIÓN DIFERENCIAL 0 SENCILLA

Si durante un número infinito de evaporaciones instantáneas sucesivas de un

líquido, solo se evaporase instantáneamente una porción infinitesimal del

líquido cada vez, el resultado neto sería equivalente a una destilación

diferencial o sencilla.

Mezclas binarias

El vapor que se desprende en una destilaci6n diferencial verdadera esta en

cualquier momento en equilibrio con el líquido del cual se forma, pero cambia

continuamente de composici6n.

Por lo tanto, la aproximaci6n matemática debe ser diferencial. Supóngase que

en cualquier momento durante el desarrollo de la destilación hay L moles de

líquido en el destilador con una composición x fracción mol de A y que se

evapora una cantidad dD moles del destilado, de composición y* fracción mol

en equilibrio con el líquido. Entonces, se tiene el siguiente balance de materia:

Las dos últimas ecuaciones/ se vuelven:

y∗dL=Ldx+xdL

∫W

FdLL

=lnFW

=∫xw

x fdxy∗−x

Donde:

F: son los moles cargados de composición

xF : y W los moles de líquido residual de composici6n xw.

Esta ecuación se conoce como la ecuación de Rayleigh,

La composición compuesta del destilado,yD puede determinarsemediante un

sencillo balance de materia:

F x f=D yD ,av+W xW

Donde:

F: Son los moles de vapor alimentado de composición y F

D: El residuode vapor de composición yD.

Volatilidad relativa constante

Describe la relaci6n en el equilibrio a presión constante mediante el uso de

alguna volatilidad relativa promedio, sobre el rango considerado de

concentración.

lnFW

= 1∝−1

lnx f (1−xW )xW (1−x f )

+ ln1−xW1−x f

Y se puede evitar la integración gráfica. Esto se arregla de forma útil.

logF x fW xW

=∝logF (1−x f )W ¿¿

La cual relaciona en número de moles de A que quedan en el residuo w. xW ,

con las moles que quedan de B, W (1−xW ). Es más probable que estas

expresiones sean válidas para mezclas ideales, para las cuales ∝ es casi

constante.

PROCEDIMIENTO PARA SIMULAR EN EL PROGRAMA CHEMCAD

COLUMANA DE DESTILACION BATCH

1. Abrir el programa chemcad.

2. En los iconos que se muestran en la pantalla de chemcad (equipos)

escoger el equipo a utilizar (colum batch), hacer un click en el equipo y

luego otro click en la pantalla.

3. Insertar las flechas que son los flujos de salida o productos que están de

color morado, luego click en stream para unir los flujos con la columna.

4. Doble click en la columna; aparecerá la ventana que se muestra a

continuación, especificar los datos a alimentar en la columna, tales como

la alimentación de los componentes, temperatura, etc. Y click en ok.

Cuando se hace click en ok aparece la siguiente ventana.se debe especificar

el número de etapas, el número de operaciones por etapa, la presión en el

condensador y el método de simulación.

Cuando se halla hecho ello click en ok , aparecerá la siguiente ventana,

especificar datos

5. Click en ok, aparecerá la siguiente ventana, especificar los datos

6. Para visualizar resultados click en la corriente de salida. Aparecerá la

siguiente ventana.

PROCEDIMIENTO PARA SIMULAR EN ASPEN PLUS. COLUMNA DE

DESTILACION CONTINUA

Flujo de alimentación

Component

es

Flujo

(kmol/

h)

Agua 52.8

Etanol 37.2

n-propanol 7.2

n-butanol 3.9

Alcohol

isoamilico

13.8

furfural 1.5

1. Click en el programa aspen plus.

2. En la parte inferior de la ventana hacer click en colums, escoger el

tipo de destilador a usar. Para nuestro caso DSTWU en el destilador

icon 1.

3. Click en material streams y ubicar las corrientes de alimentación y

producto en la columna.

4. Doble click en la columna de destilación. Y en la ventana que

aparece especificar los datos de alimentación y de la columna.

5. Hacer click en setup luego click en global, especificar el titulo del

flowsheet, luego rellenar el accounting.

6. Click en components (especifications), especificar los componentes

de alimentación.

7. Click en properties y especificar el método (UNIFAC).

8. Click en streams y especificar las condiciones del flujo de

alimentación y las respectivas cantidades de los componentes.

9. Click en bloks y especificar el reflujo, componente clave ligero,

componente clave pesado, y sus respectivas concentraciones en el

destilado. Especificar las presiones del condensador y rehervidor.

10.Simular el programa haciendo click en el icono next (N→).

11.Para poder visualizar los resultados de la simulación, hacer doble

click en cualquiera de las dos columnas y hacer click en current view,

elegir results.

CONCLUSIONES

Se analizó mediante los programas chemcad y aspen plus. Para

destilación continua se utilizó aspen plus, el cual nos dio los datos para

estimar los costos de la columna (no necesario en este trabajo). Para la

destilación batch se utilizó chemcad, el cual dio como resultado las

corrientes de flujo del destilado.

En ambos programas se trabajó a la presión atmosférica, no se logró

una comparación debido a que los resultados finales en ambos equipos

tuvieron finalidades diferentes; en la columna de destilación continua, la

finalidad fue hallar el número de etapas y el calor necesario utilizado en

el reboiler y el condensador. En el destilador batch la finalidad fue los

flujos de salida.

Bibliografía

1. Davidson, J. F. y D. Harrison, eds.: Fluidization; Academic Press; Nueva

York, 1971.

2. Treyball, R. operaciones de transferencia de masa. Editorial Macc Graw;

tercera edición; 1996