Destilación multicomponente

Presentado por: Amine AmjouneDirectora del Proyecto: Maria Gonzalez Alriols

DISEÑO Y SIMULACION DE PROCESOS DE BIOREFINERIA

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Simulación de destilación multicomponente con Aspen Plus

PUNTOS PRINCIPALES DEL TRABAJO:

1. INTRODUCCION Y OBJETIVO

2. BIOMASA, BIOREFINERIA Y DESTILACION

3. DESCRIPCION DEL ENTORNO DEL PROBLEMA

4. INTRODUCCION A ASPEN PLUS ®

5. DESARROLLO DE LA SIMULACION DEL PROCESO DE

SEPARACION

6. CONCLUSIONES DEL TRABAJO

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1. Introducción y objetivo

Objetivo: Simular la separación de una mezcla multicomponente con el programa Aspen Plus ®

En concreto, la separación del acido levulinico y el furfural en el concentrado y el resto de componentes en el destilado.

Mezcla objeto de estudio es una mezcla de componentes a partir de la biomasa, después de una serie de procesos de fraccionamiento (hidrolisis, extracción,… etc.)

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2. Biomasa, Biorefineria y destilación

Biomasa: la materia orgánica originada en un proceso biológico, espontáneo o provocado, utilizable como fuente de energía.

Biorefineria:una estructura industrial que utiliza biomasa como materia prima y la transforma en biocombustibles o bioenergía.

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Destilación:Separación de los componentes de una mezcla debido a la diferencia de volatilidad entre las sustancias que la forman

Una columna de destilación está formada habitualmente por una carcasa cilíndrica, un condensador y un hervidor.

En el interior de la carcasa se suele disponer un relleno ouna serie de platos para que la separación se lleve a cabode la mejor manera posible y de esta manera se aumenta la eficacia.

El hervidor proporciona la energía necesaria para llevar a cabo la separación

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Destilación:

El condensador enfría el vapor para condensarlo y mejorar la eficacia de la destilación, mientras que el acumulador de reflujo almacena el vapor condensado para introducir una parte de este de nuevo a la columna como reflujo.

La alimentación de suele introducir en una de las etapas intermedias y a partir de ahí se divide la columna en una sección de rectificación o enriquecimiento y en una sección de agotamiento o empobrecimiento

Normalmente es necesario realizar más de una etapa de destilación para alcanzar la pureza requerida en los componentes destilados.

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3. Descripción del entorno del problema

A partir de la biomasa, se procede al fraccionamiento de esta en sus componentes fundamentales por diferentes métodos químicos. De forma muy resumida:

Hidrólisis de biomasa lignocelulosica. La composición de la corriente generada que sería la de alimentación a las etapas siguientes seria: Furfural: 0.94 g/l Hidroximetilfurfural: 0.09 g/l Acido levulinico: 22.74 g/l Glucosa: 0.83 g/l Xilosa: 0.13 g/l Acido acético: 6.95 g/l Acido fórmico: 10.46 g/l

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3. Descripción del entorno del problema

Extracción con solvente (isometilbutilcetona, MIBK). Parámetros de operación:Ratio muestra: solvente = 10:60Nº de etapas: 2-3Tiempo de contacto: 2 hLos azucares pasarían a la fase acuosa y en la fase orgánica quedaría el furfural, el acido levulinico, el fórmico y el acético.

De ahí se toma la fase orgánica (conteniendo el furfural, el acido levulinico, el fórmico y el acético) y se hace una destilación para recuperar el acido levulinico y el furfural en el concentrado y el acido acético y el fórmico en el destilado.

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3. Descripción del entorno del problema

La composición de la muestra a destilar :

Seria prácticamente en contenido igual al inicial (quizás un poco menos, pero muy poco) de los siguientes compuestos:Furfural: 0.13 g/lAcido levulinico: 3. 25 g/lAcido acético: 0.99 g/lAcido fórmico: 1.50 g/l

Después de convertirlos a fracciones másicas, siendo el resto el solvente MIBK:

Furfural 0.0013Acido levulinico 0.0325Acido acético 0.0099Acido fórmico 0.0150

MIBK 0.9413 A partir de estos datos, se va desarrollar la simulación objeto del trabajo.

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4. Introducción a Aspen Plus ®

Aspen es un simulador estacionario, orientado a la industria de proceso: química y petroquímica

Modela y simula cualquier tipo de proceso para el cual hay un flujo continuo de materiales y energía de una unidad de proceso a otra.

La simulación con Aspen Plus permite predecir el comportamiento de un proceso a través del uso de relaciones básicas de ingeniería, como balances de materia y energía, equilibrios químicos y de fase y cinéticas de reacción.

Aspen ofrece distintos modelos de columnas de destilación, de los cuales vamos a utilizar dos modelos: la columna DSTWU y la columna RadFrac

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Elección del modelo termodinámicoMétodo o modelo empleado para representar las propiedades físicas y termodinámicas de la mezcla de componentes:

Las propiedades mas empleadas son: coeficientes de actividad, de fugacidad, entalpias, densidades, entropías y energías libres

Se selecciona directamente el método que se quiere emplear, los mas usuales son: NRTL, Wilson, Redlich-Kwong, UNIFAC, UNIQUAC,…

Se deben seleccionar según el tipo de componentes y condiciones de trabajo: Mezclas ideales, hidrocarburos y gases de hidrocarburos, mezclas no polares, mezclas altamente no ideales, mezclas polares, petróleo,… etc.

En el caso de nuestra mezcla, se ha elegido el modelo termodinámico de WILSON. Este método se basa en los coeficientes de actividad.

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5. Desarrollo de la simulación

Entre los modelos de columnas de destilación que ofrece Aspen Plus, vamos a estudiar dos modelos: DSTWU y RadFrac

a) DSTWU

Esta diseñado para tener una corriente de alimentación y dos corrientes de salida.

Realiza los cálculos utilizando los métodos Gilliland’s, Winn’s y Underwood’s para determinar el numero de etapas y la relación de reflujo

Se debe especificar la recuperación de los claves ligero y pesado

La columna DSTWU calcula el numero de etapas mínimas y la relación de reflujo mínima de la recuperación especificada.

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5. Desarrollo de la simulación

También calcula la relación de reflujo real para un numero especificado de etapas, o el numero real de las etapas para una relación de reflujo especificada.

Durante estos cálculos, ASPEN también estimara la localización optima del plato de alimentación y el calor de la caldera y del condensador.

Se va a utilizar este método simplificado para formar una idea de los parámetros de operación y partir de ellos se hace la simulación con el modelo riguroso RadFrac.

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Modelo simplificado: Modulo DSTWU

Primero se construye una columna de destilación DSTWU

Se parte de la fase orgánica que sale de la etapa de extracción conteniendo: Furfural, levulinico, fórmico, acetico y MIBK

Hallamos las fracciones másicas

Se especifican la temperatura, la presión y el flujo másico.

Se elije el modelo termodinámico WILSON para esta mezcla.

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Modelo simplificado: Modulo DSTWU

Haga clic en el icono para agregar una imagen Se pide especificar:

El numero de etapas teóricas o la relación de reflujo

Presión en la cadera y en el condensador: se fijan en 60 mbares

Recuperación de componente clave: cantidad de componente en el destilado dividido por la cantidad de este en la alimentación.

Clave ligero : acido fórmico Clave pesado: Furfural

Especificación del condensador: Total o parcial

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Modelo simplificado: Modulo DSTWU

Alimentación Destilado fondo

Furfural 0,0029 2,9 10-5 0,0028

Levulinico 0,0617 0 0,0617

Acético 0,0363 0,0266 0,0096Fórmico 0,0718 0,0711 0,0007

MIBK 2,0718 1,8076 0,2642

Se obtienen los siguientes resultados:

En la tabla se presentan los flujos molares (lbmol/h)de la columna DSTWU.

Se consigue separar el furfural y el levulinico en el concentrado, y el resto sale por el destilado.

Se puede ir variando la información de entrada de la columna para intentar minimizar el consumo energético y maximizar la separación.

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Modelo simplificado: Modulo DSTWU

Haga clic en el icono para agregar una imagen Se incluye una tabla con los datos de la variación de la relación de reflujo frente al número de etapas teóricas.

Aparece información para determinar el diseño más efectivo económicamente para la columna de destilación:

Cada plato supone más gasto en equipamiento

Mientras que aumentar la relación de reflujo supone aumentar gasto de operación.

Como datos de partida para el modelo riguroso, se podría empezar con: 51 platos y una relación de reflujo de 0,24.

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5. Desarrollo de la simulaciónUna vez formada una idea de los parámetros de operación que nos ha proporcionado el modelo simplificado de DSTWU, se pasa al modelo RadFrac:

b) RadFrac

RadFrac es un modelo que lleva a cabo cálculos mucho mas rigurosos que DSTWU

Puede usarse en la simulación de operaciones de absorción, destilación extractiva, stripping, destilación azeotropica, …etc.

Es capaz de manejar cualquier numero de flujos de salida de productos

En definitiva, un equipo mucho mas complicado que DSTWU.

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Modelo riguroso: Modulo RadFrac

Primero se construye una columna de destilación RadFrac, donde la composición de la alimentación es la misma.

vamos a especificar dos parámetros:

“Distillate to feed ratio”: se usa para especificar la cantidad deseada de recuperación de producto, que en nuestro caso es 0,99995 “Reflux Ratio”: fijamos el valor obtenido en la columna DSTWU, que era de 0.24, pero no se consigue separar nada, y después de mucho tanteo se fija en 50.

Número de etapas especificado es 30, y se utiliza condensador total.

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Modelo riguroso: Modulo RadFrac

Se pide especificar el plato de alimentación en el plato 28

Se especifica la presión en el condensador en 0,1 atm, por lo que estamos trabajando a vacio, luego los puntos de ebullición disminuyen en función de esa presion (Ecuación de Antoine).

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Modelo riguroso: Modulo RadFrac

Con esta columna se ha conseguido separar el acido fórmico en el destilado, mientras el resto sale por el fondo: Flujos molares y másicos

Si se fija en la tabla de los puntos de ebullición de los componentes, se ve que es lógico que el fórmico, siendo el mas volátil salga por el destilado.

Se construye una segunda columna para separar furfural y levulinico (puntos de ebullición elevados) por el fondo, mientras que el acido acético y el MIBK salgan por el destilado.

alimentación Destilado FondoKmol/h Kg/h Kmol/h Kg/h Kmol/h Kg/h

FurfuralLevulinicoAcéticoFórmicoMIBK

0,001350,027980,016480,032590,93978

0,133,250,991,50

94,13

2,057. 10-

27

1,554. 10-

35

1,135. 10-8

0,027890,00469

1,976. 10-25

1,804. 10-35

6,816. 10-7

1,28370,4704

0,00134

0,02798

0,01648

0,004690,9350

9

0,133,250,980,21

93,65

Componente Punto de ebullición (K)

Acido fórmico 373,8

Acido acético 391,1

MIBK 389,6

Furfural 434,9

Acido levulinico 530,0

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Modelo riguroso: Modulo RadFrac

se construye la segunda columna que tiene de alimentación la corriente de concentrado de la primera columna RadFrac.

Siguiendo la misma metodología que la anterior columna y después de una serie de tanteos e intentos, tenemos que:

“Reflux ratio”: 20 “Distillate to feed ratio” 0,999 Numero de etapas: 25 Etapa de alimentación: 23

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Modelo riguroso: Modulo RadFrac

Se obtienen resultados aceptables

Se consigue separar el levulinico y el furfural en el fondo de la torre y el resto va en el destilado.

Volviendo a la tabla de los puntos de ebullición, es lógico separar el acido levulinico y el furfural en el fondo (Puntos de ebullición mas elevados que el resto), mientras que el acético y el solvente se separan en el destilado.

alimentación Destilado Fondo

Kmol/h Kg/h Kmol/h Kg/h Kmol/h Kg/h

FurfuralLevulinicoAcéticoMIBK

0,001350,027980,016480,93509

0,133,250,98

93,65

2,155. 10-14

1,173. 10-35

0,016350,91310

2,071. 10-

12

1,362. 10-

35

0,9823791,45697

0,00135

0,02798

0,00012

0,02199

0,13003,24990,00762,2025

Componente Punto de ebullición (K)

(Acido fórmico) (373,8)

Acido acético 391,1

MIBK 389,6

Furfural 434,9

Acido levulinico 530,0

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Modelo riguroso: Modulo RadFrac

se construye una ultima columna RadFrac para la separación del acido levulinico del furfural.

Fijamos la relación de reflujo en 20y un numero de etapas de 15.

Plato de alimentación: 13

Se obtienen los siguientes resultados:

Al final se ha conseguido separar el acido levulinico del resto de la mezcla, en tres columnas de destilación sucesivas.

Alimentación Destilado Fondo

Kmol/h Kg/h Kmol/h Kg/h Kmol/h Kg/h

FurfuralLevulinico

0,001352

0,02798

0,130003,2499

9

0,001352

2,84. 10-6

0,1299960,000329

3,75. 10-8

0,027983,60. 10-6

3,2496

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6. Conclusiones del trabajo

La mezcla objeto de separación es una mezcla complicada, ya que sus componentes tienen puntos de ebullición muy aproximados, por eso no se ha podido separar en una sola columna de destilación.

Se han necesitado dos columnas de destilación y una tercera complementaria para separar el levulinico del furfural.

En la columna DSTWU, se ha hecho una prueba preliminar para hacerse una idea de los parámetros de operación aproximados que hay que emplear. Tres columnas de destilación de 50, 25 y 15 platos supone muchos gastos en equipamiento, y relaciones de reflujo elevadas supondran mas gastos en operación. Por lo que en general, es una separación de alto coste

¡¡Gracias por vuestra atención!!

Dudas o aclaraciones?!!