14. PLANTA DE DESHIDRATACIÓN DE ETANOL 1. OBJETIVOS 1.1. Simular un proceso con dos paquetes fluidos 1.2. Utilizar el botón Sub-Flowsheet para simular una sección dentro de un proceso químico 1.3. Simular una planta para la obtención de etanol puro a partir de una solución en agua a concentración azeotrópica
2. DESCRIPCION DEL PROCESO El producto final de la destilación simple, a una atmósfera, del fermentado obtenido a partir de azúcar, es una mezcla azeotrópica de etanol y agua con una pureza límite del 88 % molar o 95 % en peso. Concentraciones mayores de etanol pueden obtenerse mediante la adición de un solvente o una sustancia que rompa la barrera azeotrópica, como por ejemplo un arrastrador. En esta simulación, se producirá etanol anhidro puro a partir de una mezcla azeotrópica de etanol-agua, utilizando al benceno como agente de arrastre. Un rasgo importante de este proceso es que la economía y el impacto ambiental imponen que se haga una recuperación de benceno extremadamente alta El producto de cabeza de la columna deshidratadora o “T-100” es una mezcla de etanol, agua y benceno que se divide en dos fases líquidas por enfriamiento: una liviana y otra pesada. Para modelar este equilibrio líquido-líquido, se instalará un sistema denominado “Decantador” valiéndose del botón de HYSYS que permite construir un sub-diagrama de flujo. En este sub-diagrma se utilizarán parámetros de interacción diferentes. La fase acuosa predominante denominada “Pesada” es procesada aún más en una columna de agotamiento, “T-101” cuyo producto de cabeza, “V-2” se mezcla en un recipiente “V-100” con la fase líquida liviana, “Liviana”, que sale del Decantador y, entonces, recirculada a la columna deshidratadora, sirviendo como el reflujo a dicha columna. Este caso se creará mediante sub-diagramas de flujo estándares y los resultados se transferirán al diagrama de flujo principal. HYSYS tiene la habilidad de resolver los procesos a través de varios niveles de sub-diagramas de flujo. La Figura 1 muestra el diagrama de flujo final de la planta de deshidratación de etanol simulada
3. PAQUETES FLUIDOS Se requieren dos paquetes fluidos en este ejemplo. Ambos paquetes fluidos usarán el modelo de actividad NRTL, y contienen los componentes etanol, agua y benceno. El primer paquete fluido nombrado como “VLE-BASIS” usará los parámetros de interacción binarios de la librería VLE que aparecen por defecto. El segundo paquete fluido nombrado como “LLE-BASIS” reemplazará aquellos coeficientes de interacción con coeficientes de interacción binarios estimados con UNIFAC-LLE
Figura 1. Planta de deshidratación de etanol
1. Introduzca el primer paquete fluido y nómbrelo como “VLE-Basis”. Seleccione el modelo de actividad NRTL 2. Despliegue la ventana correspondiente a la pestaña “Binary Coeffs”, seleccione el radio botón “UNIFAC-VLE” y presione el botón “All Binaries” para estimar los coeficientes binarios 3. Cierre la ventana anterior y regrese a la pestaña “Fluid Pkg” de la ventana del Administrador Básico de la simulación. Seleccione el paquete de propiedades “VLE-Basis” y haga clic sobre el botón “Copy” para copiar dicho paquete en un nuevo paquete fluido y nómbrelo como “LLE-BASIS” en su ventana de propiedades. 4. Despliegue la ventana correspondiente a la pesaña “Binary Coeffs”, seleccione el radio botón “UNIFAC LLE” y a continuación presione el botón “All Binaries” para estimar los coeficientes binarios VLE-BASIS se utilizará para la mayor parte de la simulación, mientras que LLE-BASIS se utilizará como el paquete fluido para el subdiagrama de flujo Decanter
Corrientes 5. Ingrese al ambiente principal de simulación e instale la corriente “Alimento” y la de recirculación asumida “Ra” con las siguientes especificaciones: Nombre
Alimento
Ra
Temperatura, °C Presión, kPa
78.10 101.33
55 101.33 134
Flujo molar, kgmol/h Fracción mol Etanol Fracción mol Agua Fracción mol Benceno
68.84 0.8831 0.1169 0.0000
250 0.45 0.05 0.50
Cuando el diagrama de flujo se haya completado, “Ra” será la corriente de recirculación; sin embargo, debe hacerse un ensayo inicial para los parámetros de la corriente para resolver inicialmente el diagrama de flujo. El tope de la columna deshidratadora contendrá una mezcla de benceno, etanol y agua. Se recuperará todo el benceno y etanol mas algo del agua en las operaciones corrientes abajo de tal manera que se escoge como ensayo inicial una mezcla como la mostrada anteriormente.
Columna deshidratadora La columna deshidratadora es modelada como un absorbedor con rehervidor. Antes de instalar la columna, seleccione la opción “Preferentes” en el menú “Tools”. Sobre la página “Options” de la pestaña “Simulation” revise que se encuentra verificado el cuadro de selección “Input Experts”. Instale la columna haciendo doble clic sobre el icono Reboiled Absorber que se encuentra en la paleta de objetos 6. Instale la columna haciendo doble clic sobre el icono “Reboiled Absorber” que se encuentra en la paleta de objetos y complete la página uno del asistente de la siguiente manera Nombre # Stages Top Stage Inlet Optional Inlet Streams / Inlet Stage Ovhd Vapour Outlet Reboiler Energy Stream Bottoms Liquid Outlet
T-100 30 Ra Alimento / 7 V-1 Qd Alcohol Anhidro
7. Presione el botón “Next” para desplegar la página dos del asistente y complete las siguientes especificaciones Top Stage Pressure Reboiler Pressure
101.33 kPa 101.33 kPa
8. Presione el botón “Next” seguidamente hasta desplegar la página cuatro. Presione el botón “Done”. Se desplegará la ventana de propiedades de la columna como se observa en la Figura 2. 9. Haga clic sobre la pestaña “Parameters” y despliegue la página “Solver”. Introduzca el valor de 0.40 para el factor de amortiguamiento en el cuadro “Fixed Damping Factor”
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Figura 2. Ventana de propiedades de la columna deshidratadora
10. Despliegue la página “Specs” de la pestaña “Design” para introducir las siguientes especificaciones: Comp Frac Stage Flow Basis Phase Spec Value Component
Active Reboiler Mass Fraction Liquid 0.00001 Benzene
Ovhd Prod Rate Stream Flow Basis Spec Value
Estimate V-1@COL1 Mass 1600 kg / h
Una vez desactivada la especificación “Ovhd Prod Rate”, la columna debe comenzar a resolverse automáticamente. Si no lo hace, presione el botón “Run” sobre la ventana de propiedades de la columna para resolver completamente la columna. El perfil de temperaturas a lo largo de la columna se puede observar en la página “Monitor” de la pestaña “Design”.
Subdiagrama de flujo para el Decantador 11. Para instalar un subdiagrama de flujo, seleccione el botón “Sub-Flowsheet” que se encuentra en la paleta de objetos. Se desplegará una ventana como la que muestra la Figura 3.
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12. Presione el botón ”Start With a Blank Flowsheet” para iniciar la construcción de un sub-diagrama de flujo en blanco.
Figura 3. Ventana para seleccionar el origen del sub-diagrama de flujo
13. Haga doble clic sobre el icono que representa el diagrama de flujo para desplegar su ventana de propiedades 14. En la ventana de título “Sub-Flowsheet Operation” cambie el nombre a “Decantador” y seleccione la corriente “V-1” en la columna encabezada con el nombre de “External Stream”. De esta manera, se creará la corriente “V-1” dentro del sub-diagrama y transferirá la información de la corriente 15. Después de hacer la conexión, abra la ventana de la pestaña “Transfer Basis” y cambie la base de transferencia, seleccionando a una evaporación instantánea “VF-P Flash” en la columna encabezada con el título “Transfer Basis” del cuadro “Inlet Streams”. De esta manera, se transferirán las propiedades de la corriente “V-1”, en forma correcta, al sub-diagrama de flujo, el cual utiliza un conjunto diferente de parámetros de interacción por la presencia de un equilibrio líquido-líquido 16. Ahora, seleccione el botón “Sub-Flowsheet Environment” para trabajar en el ambiente del sub-diagrama de flujo 17. Antes de instalar cualquier operación, ingrese al “Basis Environment” y cambie el paquete fluido para “Decantador” de “VLE-BASIS” a “LLE-BASIS”. Asegúrese que el paquete fluido por defecto es “VLE-BASIS”. Observe la Figura 4. 18. Presione el botón “Return to Simulation Environment” para regresar al subdiagrama de flujo “Decantador”. 19. Instale un enfriador dentro del su-diagrama de flujo y llámelo “E-200”. Este enfriador condensará la corriente “V-1”. Sus especificaciones son las siguientes: Pestaña Design Inlet Outlet Energy Stream
Página Connections V-1 M-1 Qc
Pestaña Design Pressure Drop
Página Parameters 0 kPa
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Pestaña Worksheet Temperature / M-1
Página Conditions 25°C
Figura 4. Seleccione del paquete fluido para el decantador 20. Instale un separador de tres fases con el nombre “V-200” para separar el producto de la columna deshidratadora en una fase líquida pesada y otra liviana. Sus especificaciones son: Pestaña Design Inlets Vapour Light Liquid Heavt Liquid Pesaña Design Delta P
Página Connections M-1 Venteo Liviano Pesado Página Parameters 0.0 kPa
21. El sub-diagrama de flujo “Decantador” ha convergido completamente y se muestra en la Figura 5. 22. Regrese al diagrama de flujo principal presionando el icono “Enter Parent Simulation Environment” que es una pequeña flecha verde que se encuentra en la barra estándar de HYSYS. 23. Abra la ventana de propiedades del sub-diagrama de flujo “Decantador” y despliegue la ventana de la pestaña “Connections” 24. En el grupo “Outlet Connections to Sub-Flowsheet” introduzca las palabras “Liviano” y “Pesado” como los nombres de las corrientes externas que conectarán el diagrama de flujo principal con las corrientes del mismo nombre dentro del subdiagrama de flujo, como se muestra en la Figura 6.
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Figura 5. Sub-diagrama de flujo “Decantador”
Figura 6. Corrientes que conectan el diagrama de flujo con el sub-diagrama
25. Abra la ventana correspondiente a la pestaña “Transfer Basis” y cambie la base de transferencia a VF-P Flash para las corrientes “Liviano” y “Pesado”. Esto forzará a las corrientes a permanecer en la misma fracción de vapor como también a mantener la misma presión para satisfacer la relación flujo-presión. Observe la Figura 7.
Columna de agotamiento 26. Cierre la ventana anterior e instale en el diagrama de flujo padre una columna de absorción con rehervidor
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27. Complete el asistente con las especificaciones que en la ventana de propiedades definitiva se observan como lo muestra la Figura 8. 28. Haga clic sobre la pestaña “Parameters” y despliegue la página “Solver”. Introduzca el valor de 0.50 para el factor de amortiguamiento en el cuadro “Fixed Damping Factor”
Figura 7. Base de transferencia para las corrientes externas
Figura 8. Conexiones y algunas especificaciones de la columna T-101
29. Despliegue la página “Specs” de la pestaña “Design” para introducir las siguientes especificaciones: 140
Comp Frac Stage Flow Basis Phase Spec Value Component
Active Reboiler Mole Fraction Liquid 0.9999 H 2O
Ovhd Prod Rate Draw Flow Basis Spec Value
Estimate V-2@COL2 Molar 0.200 kgmole / h
30. Despliegue la página “Monitor” de la pestaña “Design” y observe el perfil de temperaturas a lo largo de la columna.
Separador de fases 31. Instale un separador de fases con el nombre de “V-100” especificaciones: Pestaña Design Inlets Vapour Outlet Liquid Outlet Energy Pestaña Design Pressure Drop Duty
y con las siguientes
Página Connections V-2, Liviano V-3 Rc Qs Página Parameters 0.00 kPa 0 kJ / h (Heating)
Botón de Reciclo 32. Instale un botón de reciclo y asígnele como nombre “Reciclo”. Conecte como corriente de entrada la de recirculación calculada, es decir, “Rc” y como corriente de salida la de recirculación asumida inicialmente, es decir, “Ra”. El botón de reciclo modificará la composición de la corriente de recirculación asumida y construirá el diagrama de flujo con la corriente de recirculación incluida dentro de sus cálculos. Esto requiere de varias iteraciones. Observe en las Figuras 9 y 10 las condiciones y las composiciones finales de las corrientes de recirculación asumida y calculada
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Figura 9 Condiciones de las corrientes de recirculación asumida y calculada
Figura 10. Composición de las corrientes de recirculación asumida y calculada
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