analisis del proceso de destilacion alcoholica

IngenIería QuímIca 83Julio-agosto 2009

SPsImulacIón de procesos

R. Hurtado, M. Ribas yR. SabadíInstituto cubano de Investigaciones de los derivados de la caña de azúcar (IcIdca)

Análisis del proceso de destilación alcohólicaUtilizando la herramienta de software Destila 5.0

Se considera el alcohol el más importante derivado de la caña de azúcar. En este artículo se describe la herramienta de software Destila 5.0, orientada a la simulación de esquemas de producción para la obtención de alcohol hidratado. Este sistema genera un modelo matemático de naturaleza no lineal basado en los balances totales, alcohólico, de energía y en otros condicionantes tecnológicos.

ExistEn variadas razonEs para usar las técnicas de simulación, por las cuales se ha convertido en una práctica común simular sistemas a partir del empleo de software orientado a este fin. La principal razón pa-ra ello es el coste, ya que la simulación es un método para desarrollar, modificar, analizar y probar sistemas o procesos sin la necesidad de su implementación fí-sica. El avance de las herramientas de simulación de procesos ha sido espectacular en las últimas décadas a partir del desarrollo de las nuevas tecnologías de la información, las cuales permiten potencialidades de cálculo para solucionar los complejos modelos mate-máticos que describen los procesos tecnológicos. Hoy en día puede considerarse que la simulación es la tec-nología clave para el diseño y el desarrollo de procesos, el dimensionamiento de equipos y la optimización de los procesos (Feliu, 2006), y por este motivo se desa-rrollan eventos a nivel internacional donde se discuten los avances alcanzados en el tema y las perspectivas de desarrollo de las herramientas y metodologías de simu-lación como un soporte para la toma de decisiones téc-nicas y gerenciales. Una perspectiva desde el punto de vista industrial con énfasis en los recientes desarrollos,

SiMulAción de PRoceSoS

Nº 47384 IngenIería QuímIca

tecnologías emergentes y aspectos donde se requiere más trabajo investigador, es realizada por Britt (2004), mientras que un análisis crítico de los éxitos y los fraca-sos en la modelación de procesos tecnológicos puede encontrarse en Pantelides (2004).

La ingeniería química se ha visto influenciada por el desarrollo de los medios de computación y en parti-cular de los simuladores de proceso, las bases de datos y los sistemas automatizados de diseño. La importancia de la simulación de procesos ha sido reconocida por la industria como uno de los aspectos que debe reforzar-se en la preparación del profesional, junto a otros as-pectos, entre los que destacan, el control ecológico, el análisis de costes y evaluación de proyectos, el control de los procesos y la instrumentación (zumalacárregui, 2001). Es necesario tomar en cuenta que el coste de la experimentación con el sistema físico es muy elevado y estas técnicas de simulación permiten desarrollar estu-dios orientados a:

- Estabilidad y sensibilidad de un proceso ante cam-bios de parámetros operacionales.

- Evaluación de un conjunto de alternativas posibles para la selección de la mejor, según una función obje-tivo dada.

- diseño de nuevos sistemas.- Cambios de escala de un proceso.- Capacitación para operadores y directivos.

Los simuladores de procesos pueden ser modulares (aspen one, Hysys, Chemcad y superPro designer), fenomenológicos (Fluent, Multiflow) o matemáticos (Matlab, Mahtcad), y son ampliamente utilizados en la industria en general.

En el caso particular de la industria azucarera y de derivados, también se han desarrollado simuladores para el análisis de procesos, destacando sugars (Weiss, 1999) y muy especialmente cuando se vincula a un sis-tema de monitorización avanzado del proceso (Morgen-roth, 2003), con el cual se recupera información en línea para su análisis con el simulador, lo que garantiza un control del proceso de forma más eficiente. Para el proceso de destilación, de forma particular, se han desarrollado diferentes simuladores con fines específi-cos y pueden mencionarse entre ellos los descritos en Garrido (2004), rueda (2001) y Marriaga (2006).

En el presente artículo se describe la herramienta de software destila 5.0, orientada a la simulación de es-quemas de producción de alcohol hidratado. a partir de la configuración del área de trabajo sobre la base de la definición del número de condensadores acoplados a las columnas destiladora y rectificadora, el empleo o no de intercambiador de calor para las vinazas y el aná-lisis de empleo de algunas corrientes según el esquema

de producción, se genera un modelo matemático de naturaleza no lineal que se resuelve por un algoritmo de tipo newton que es una variante del método descri-to por Powell (1970).

destila 5.0 está desarrollada para ser ejecutada so-bre el sistema operativo Windows e incorpora las inter-fases de trabajo de los usuarios para la configuración del esquema de producción a simular, la captación de los datos requeridos y los estimados iniciales de las va-riables, así como los algoritmos de solución para resol-ver el modelo matemático generado. se analizan dos casos de estudio para mostrar la flexibilidad en el tra-bajo y las potencialidades del sistema.

1modelo matemátIcoEl modelo matemático que caracteriza el comportamien-to del proceso de destilación se basa fundamentalmente en el planteamiento de los balances totales, alcohólicos y de energía en cada columna del esquema. además se plantean las ecuaciones de balance total, cálculo del ca-lor transferido y balance de energía para los condensado-res y el intercambiador de calor de las vinazas, así como algunas relaciones prácticas que se deben cumplir en la operación del proceso tecnológico (Hurtado, 2006).

Para construir el modelo, se realizaron las siguien-tes suposiciones:

1. se considera que el sistema trabaja a presión at-mosférica.

2. se consideró una mezcla binaria de etanol y agua.

3. se trabaja en estado estacionario.4. El flujo de alimentación entra a la columna desti-

ladora en un único plato.5. La alimentación a la columna entra como un lí-

quido a temperatura entre 55ºC ≤ t ≤ 78ºC. 6. La extracción del etanol neutro se realiza en los

últimos platos de la columna rectificadora.7. se realizan extracciones laterales de aceite de

fusel en la zona situada unos platos por encima de la alimentación a la columna rectificadora.

8. El esquema puede tener acoplados hasta tres con-densadores en la columna rectificadora y un condensa-dor que su función es calentar el vino proveniente de los fermentadores. también se permite acoplar hasta tres condensadores en la cabeza de la columna desti-ladora.

9. se considera equilibrio termodinámico entre la fase líquida y vapor.

10. La composición del vapor que abandona la co-lumna por la cabeza es igual a la de la corriente de destilado y reflujo.

11. no hay pérdidas de calor en las columnas; se asume que son adiabáticas

12. La mezcla binaria etanol-agua se comporta co-mo un sistema no ideal y para corregir la falta de idea-lidad se emplean los valores existentes en la internatio-nal Critical table.

a continuación se describe el modelo matemático que representa el funcionamiento de un esquema de destilación como el mostrado en la Figura 1.

Se genera un modelo matemático de naturaleza no lineal reSuelto por un algoritmo de tipo newton que eS una variante del método deScrito por powell

análIsIs del proceso de destIlacIón alcohólIca


Columna destiladora

Balance total:

Balance alcohólico:

Balance energético:

Columna rectificadora

Balance total:

Balance alcohólico:

Balance energético:

Intercambiador de calor para las vinazas

Balance de energía:

Ecuación para el cálculo del calor transferido:

Condensadores

Balance total:

Balance de energía:

Figura 1 esquema general del proceso de obtención de alcohol hidratado

1

2

3

4

5

6

7

8

9



Ecuación para el cálculo del calor transferido:

Cálculo de la corriente de reflujo a la rectificadora:

relación de reflujo, cabezas y fusel en la rectifica-dora:

2cálculo de las concentracIones de etanol en el líQuIdo y en el vaporPara el cálculo de las concentraciones de etanol en la fase líquida y vapor, se utilizaron los datos de equilibrio reseñados en la international Critical table y se realizó un ajuste regresional con los mismos, obteniéndose las siguientes relaciones de dependencia:

donde:

xEta: Concentración másica de etanol en la fase lí-quida (fracción).

YEta: Concentración másica de etanol en la fase de vapor (fracción).

t: temperatura del líquido saturado (ºC).

3cálculo de las entalpíasPara calcular las entalpías de los líquidos presentes en el proceso se tuvieron en cuenta las siguientes su-posiciones:

1. se considera una mezcla de líquidos saturados.2. se consideró como estado de referencia el de los

líquidos puros y saturados a 273ºK, o sea, 0ºC, siendo las entalpías de los componentes puros en estas condi-ciones igual a cero.

- Entalpía de la mezcla líquida saturada

donde:

Hls (X,T): Entalpía de la mezcla de líquido saturado (Kcal/kg).

Hpalc(T): Entalpía del componente puro alcohol

(Kcal/kg).Hp

aguga(t): Entalpía del componente puro agua (Kcal/kg)

Q s ≈ O: Calor integral de solución. En este caso se consideró aproximadamente cero teniendo en cuen-ta los valores de Qs dados en la literatura por Perry (1980).

- Entalpía del vapor saturado

Para el cálculo de las entalpías de las corrientes de vapor saturado, se utiliza la siguiente expresión:

donde:

Hvs(YEta): Entalpía del vapor saturado (Kcal/kg)

3herramIenta de soFtwareEl software destila ha sido diseñado e implementado para ser ejecutado sobre el sistema operativo Windows. Cuenta con una interfase de trabajo en la cual se tie-ne una vista gráfica del proceso, sus corrientes prin-cipales y los índices generales del proceso (Figuras 2 y 3).

10

11

12

13

14

15

16

17

11



El usuario debe configurar el esquema de traba-jo, introducir la información de entrada requerida mediante tablas asociadas a cada equipo (datos y estimaciones iniciales; aunque existe un mecanismo de generación automática de estimaciones a partir de los datos) y ejecutar la opción de simular, la cual presenta tres modos:

- Estándar: Ejecuta la simulación del proceso ge-nerando el modelo matemático según el esquema de trabajo, para unas condiciones de operación dadas.

- análisis de sensibilidad: Permite variar una va-riable de decisión en un rango de trabajo con vistas a analizar el comportamiento del sistema ante esta perturbación. Puede analizarse aquí la respuesta del sistema ante situaciones extremas, que es uno de los objetivos principales en la simulación de procesos.

- diseños experimentales: Pueden variarse simul-táneamente entre dos y siete variables de decisión en rangos de trabajo para estudiar cómo responde el sistema ante las diferentes combinaciones de es-tas variables. aquí se selecciona el tipo de diseño a efectuar (2 o 3 niveles); el sistema genera la matriz

experimental y ejecuta la simulación del proceso pa-ra cada combinación.

Para cada una de estas opciones de simulación se obtienen los resultados correspondientes, tanto ana-líticos como gráficos, los cuales pueden ser impresos o enviados a otras aplicaciones (Excel o statistica) con vistas a su procesamiento estadístico.

4análIsIs de casos de estudIoPartiendo de la información tecnológica generada por los esquemas de destilación de alcohol hidrata-do correspondientes a dos destilerías de 700 y 1.000 hl/d de capacidad, se decidió, mediante el empleo de la herramienta destila 5.0, realizar la simulación de ambos esquemas y analizar sus resultados.

El primero de ellos está compuesto por una co-lumna destiladora sin intercambiador de vinazas en el fondo, columna rectificadora provista de un ca-lienta-vino, condensador parcial primario y conden-sador total secundario. El flujo de vino de alimenta-ción es de 45.000 kg/h con una concentración alco-hólica de 5% másica y temperatura de alimentación al calienta-vino de 35ºC.

El segundo contiene una columna destiladora con intercambiador de vinazas en el fondo, colum-na rectificadora conectada a una batería de conden-sadores en serie compuesta por un calienta-vino, condensador parcial primario y dos condensadores verticales. El flujo de vino de alimentación es de 60.000 kg/h a la misma concentración alcohólica y temperatura del esquema anterior.

Los valores de los coeficientes de transferencias de calor y distribución de áreas por cada condensa-dor son los mostrados en tabla 1.

Las Figuras 2 y 3 muestran los principales resul-tados obtenidos de la simulación para ambos esque-mas. En ellas se puede observar que los valores de eficacia de la destilación, consumos de vapor y agua de enfriamiento en los dos esquemas son muy simi-lares así como la generación de vinazas. sin embar-go, el esquema uno produce alrededor de 735 hl/d y el segundo 980 hl/d. Esto se debe a la diferen-cia de flujos de alimentación existente entre ambos procesos. se debe señalar que el segundo esquema necesita aprovechar el calor de las vinazas para ca-lentar el vino hasta una temperatura de 60ºC para ser introducido en la columna.

a continuación, tomando el segundo esquema como base, se decidió realizar un diseño de expe-

Figura 2 esquema 1 de destilación

Figura 3 esquema 2 de destilación

Hoy en día puede conSiderarSe que la Simulación eS la tecnología clave para el diSeño y el deSarrollo de proceSoS, el dimenSionamiento de equipoS y la optimización de loS proceSoS



rimento con el sistema destila 5.0 para analizar el comportamiento del proceso ante perturbaciones en los valores de flujo de alimentación, grado alco-hólico de la alimentación y temperatura de alimen-tación del vino a la columna, tal como se muestra en la Figura 4.

a partir de esta información, el sistema construye una matriz experimental con 27 casos independien-tes provenientes del tipo de diseño seleccionado (en este caso un diseño factorial 33). En la tabla 2 se muestran los diferentes factores considerados en el diseño con sus niveles.

En la Figura 5 se presentan los resultados del diseño, que muestran cómo disminuye el consumo de vapor del esquema a medida que se aumenta la concentración alcohólica del vino y la temperatura de entrada de éste a la columna.

5conclusIones

- El modelo matemático generado de forma auto-mática según la configuración del proceso tecnológico permite el análisis de diferentes esquemas de produc-ción de alcohol hidratado.

- El análisis de sensibilidad y los diseños experi-mentales aumentan las posibilidades de análisis que pueden efectuarse sobre el comportamiento del pro-ceso ante perturbaciones. Los resultados de estos análisis se presentan de forma analítica y gráfica, pu-diéndose exportar a Excel o statistica para la realiza-ción de otros estudios.

tabla 3

conFIguracIón de los condensadores por cada esQuema

Esquema 1

Variable UM Calienta-vino Etapa 1 Etapa 2

área m² 70.000 65.000 30.000

coeficiente de transferencia kcal/hm²°c 550.000 550.000 550.000

temperatura de entrada del agua °c 30.000 30.000 30.000

Esquema 2

Variable UM Calienta-vino Intercambiador de vinazas

área m² 45.000

coeficiente. de transferencia kcal/hm²°c 880.000 880.000

temperatura de entrada del vino °c 35.000

Variable UM Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3

área m² 40.000 14.000 10.000

coeficiente de transferencia kcal/hm²°c 880.000 880.000 880.000

temperatura de entrada del agua °c 30.000 30.000 30.000

Figura 4 preparación del diseño experimental a efectuar

tabla 2

Niveles por caDa factor

Variables UM Nivel -1 Nivel 0 Nivel -1Flujo de alimentación kg/h 49.480 57.240 65.000de vino

grado alcohólico % 5.0 6.5 8.0de la alimentación

temp. alimentación ºc 60.0 67.5 75.0a la columna

el modelo matemático generado permite el análiSiS de diFerenteS eSquemaS de producción de alcoHol Hidratado



- La herramienta de software es configurable, presen-ta una interfase de trabajo amigable para los usuarios y puede considerarse como un apoyo para la toma de decisiones en la industria. Los casos de estudio presen-tados ilustran cómo puede ser utilizado este sistema para el análisis del proceso.

6trabaJo FuturoEn el fututo se pretende incorporar otros esquemas tecnológicos de producción de alcohol con vistas a garantizar que el sistema abarque una mayor canti-dad de alternativas así como agregar elementos eco-nómicos, lo cual incrementará las prestaciones de la herramienta de software y sus posibilidades de utili-zación.

bibliografía[1] Britt, H., et. al. (2004) “Modelling and simulation in 2004. an industrial perspective”, proceedings of focapD 2004, 55-68.

[2] feliu, J.a. (2006), “importancia de la termodinámica en la simulación de procesos”, ingeniería Química, año XXXviii, 438, 111-117.

[3] Garrido, N. (2004) “siDel: sistema de diseño y simulación de destilerías”, vii congreso internacional sobre azúcar y Derivados, Diversificación 2004.

[4] Hurtado, r., ribas, M., et. al. (2006), “simulación de un proceso de destilación alcohólica con el software Destila 3.0”, iX congreso internacional sobre azúcar y Derivados, Diversificación 2006, isBN-959-7165-20-1

[5] Marriaga, N. (2006) “simulación computacional de una destilería de alcohol”, vii congreso de la asociación colombiana de técnicos de la caña de azúcar”, tecnicaña 2006, cali.

[6] Morgenroth, B., Weiss, W. (2003), “advanced monitoring system for process control”, cits 2003, Madrid

[7] rueda, a. (2001) “Modelado y simulación dinámica en ecosimpro de una columna de destilación de etanol de la industria azucarera.”, ia reunión de Usuarios de ecosimpro, UNeD, Madrid, 3-4 Mayo.

[8] pantelides, c., Urban, Z.e. (2004), “process modelling technology: a critical review of recent developments”, proceedings of focapD 2004, 69-81.

[9] perry, r.H., Green, D.W., “perry’s chemical engineers’ handbook”, Mc Graw Hill, 1999.

[10] powell, M. J. D. (1970), "a fortran subroutine for solving systems of Nonlinear algebraic equations," Numerical Methods for Nonlinear algebraic equations, p. rabinowitz, ed., ch.7.

[11] Zumalacárregui, l., valverde, J. l. (2001), “ejemplo para el uso de un simulador en los estudios de ingeniería química”, educación Química, 12 (4), 203-208.

[12] Weiss, W. (1999), “cane factory process modelling using sugarstM for Windows”, 29th annual Joint Meeting of the florida and louisiana Divisions, ft. Walton Beach, florida, June 16-18.

Figura 5 resultados del diseño de experimento

la Herramienta de SoFtware eS conFigurable, preSenta una interFaSe de trabajo amigable para loS uSuarioS y puede conSiderarSe como un apoyo para la toma de deciSioneS en la induStria

NotasNC: número de condensadores utilizados.i: Índice que se utiliza para enumerar la cantidad de condensadores acoplados al tope de la columna rectificadora (i=l,…,nC) j: ndice que se utiliza para identificar a las distintas corrientes dentro del proceso j = vino, flema, flemasa, vinaza, vapor,

alcohol, cabezas, fusel)Fj: Flujo másico de la corriente j kg/hHj: Entalpía de la corriente j kcal/kgXj: Concentración másica de etanol en la fase líquida de la corriente j fracciónYj: Concentración másica de etanol en la fase vapor de la corriente j fracciónFi

VE: Flujo del vapor de entrada al condensador i kg/hFi

Cond: Flujo de salida del condensado del condensador i kg/hFi

VS: Flujo del vapor de salida del condensador i kg/hFi

L: Flujo del líquido de enfriamiento al condensador i kg/hHi

EL: Entalpía de entrada del líquido de enfriamiento al condensador i kcal/kgHi

SL: Entalpía de salida del líquido de enfriamiento del condensador i kcal/kgUI: Coeficiente de transferencia de calor del condensador i kcal/m2hAI: Área de transferencia de calor del condensador i m2

Qitransf: Calor transferido en la condensación dei kcal/h

LMDTi: diferencia media logarítmica de temperatura en el condensador i (Cº)Ref.: relación práctica de reflujo al tope de la columna rectificadora fracciónRcab: relación práctica de extracción de cabezas de la columna rectificadora porcientoRfusel: relación práctica de extracción de aceite fusel de la columna rectificadora porciento

analisis del proceso de destilacion alcoholica

Documents