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
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 2
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
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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
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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].
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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:
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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.
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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
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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%)
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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
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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.
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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:
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- 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
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 13
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
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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.
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 15
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
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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:
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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.
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 18
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.
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 19
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
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 20
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%
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 21
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].
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 22
Figura 8. Diagrama bsico del proceso industrial
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 23
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
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 24
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.
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 25
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
Conversin por paso, % 6,18
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
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 26
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
Conversin por paso, % 6,18
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.
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 27
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
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 28
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.
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 29
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:
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 30
Figura 9. Diagrama de flujo del proceso
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 31
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
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 32
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).
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 33
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.
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 34
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%
Adecua la presin a la presin requerida
de entrada al reactor (70,2 atm)
Bomba 2
Modelo: PUMP
Presin de descarga: 13 atm
Eficiencia: 40%
Adecua la presin a la presin requerida
de operacin del lavador (12,6 atm)
Bomba 3
Modelo: PUMP
Presin de descarga: 70,7
Eficiencia: 40%
Adecua la presin a la presin requerida
de entrada al reactor
Bomba 4
Modelo: PUMP
Presin de descarga: 5,9
Eficiencia: 40%
Adecua la presin a temperatura
necesaria del vapor
Bomba 5
Modelo: PUMP
Presin de descarga: 2,4
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
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 35
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
Temp corriente 5: 523 K
Intercambiador 3
Modelo: HEATER
AP: -3 psia
Temp corriente 9: 424,8 K
Intercambiador 4
Modelo: HEATER
AP: -3 psia
Temp corriente 17: 323 K
Intercambiador 5
Modelo: HEATER
AP: -3 psia
Temp corriente 19: 313 K
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
Temp corriente 41: 313 K
Adecua temperatura a la del agua de
lavado (293 K)
Intercambiador 8
Modelo: HEATER
AP: -3 psia
Temp corriente 49: 441 K
Intercambiador 9
Modelo: HEATER
AP: -3 psia
Temp corriente 48: 432 K
Intercambiador 10
Modelo: HEATER
AP: -3 psia
Temp corriente 47: 430 K
Calentador
Modelo: HEATER
AP: -3 psia
Temp corriente 6: 538 K
Adecua temperatura a la ideal de
entrada del reactor (538 K)
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 36
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
Rgibbs considera todos los
componentes de la simulacin
como posibles productos
Quemador
biomasa (Caso 2)
Modelo: RGIBBS
P:1,2 atm. Duty: 0
Rgibbs considera todos los
componentes de la simulacin
como posibles productos
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
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 37
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.
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 38
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
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 39
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
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 40
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.
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 41
- 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
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 42
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
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 43
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
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 44
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
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 45
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
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 46
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
Modelado y simulacin de una planta de produccin de etanol por hidratacin directa de etileno 47
(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.