Diseño y simulación del proceso de destilación multicomponente en una biorefinería

1. DISEÑOY SIMULACION DE PROCESOS DE BIOREFINERIA

2. PUNTOS PRINCIPALES DELTRABAJO:
1. INTRODUCCIONY OBJETIVO
2. BIOMASA, BIOREFINERIAY DESTILACION
3. DESCRIPCION DEL ENTORNO DEL PROBLEMA
4. INTRODUCCION A ASPEN PLUS®
5. DESARROLLO DE LA SIMULACION DEL PROCESO DE
SEPARACION
6. CONCLUSIONES DELTRABAJO
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3.  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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4.  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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5. 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 o
una serie de platos para que la separación se lleve a cabo
de 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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6.  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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7. 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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8.  Extracción con solvente (isometilbutilcetona, MIBK). Parámetros de
operación:
Ratio muestra: solvente = 10:60
Nº de etapas: 2-3
Tiempo de contacto: 2 h
Los 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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9. 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/l
Acido levulinico: 3. 25 g/l
Acido acético: 0.99 g/l
Acido fórmico: 1.50 g/l
 Después de convertirlos a fracciones másicas, siendo el resto el solvente
MIBK:
Furfural 0.0013
Acido levulinico 0.0325
Acido acético 0.0099
Acido fórmico 0.0150
MIBK 0.9413
 A partir de estos datos, se va desarrollar la simulación objeto del trabajo.
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10.  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 conAspen 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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11. Método 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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12. 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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13.  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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14. 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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15. Modelo simplificado:
Modulo DSTWU
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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16. 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 0,0096
Fórmico 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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17. Modelo simplificado:
Modulo DSTWU
 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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18. Una 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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19. 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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20. 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 deAntoine).
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21. 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 Fondo
Kmol/h Kg/h Kmol/h Kg/h Kmol/h Kg/h
Furfural
Levulinico
Acético
Fórmico
MIBK
0,00135
0,02798
0,01648
0,03259
0,93978
0,13
3,25
0,99
1,50
94,13
2,057. 10-27
1,554. 10-35
1,135. 10-8
0,02789
0,00469
1,976. 10-25
1,804. 10-35
6,816. 10-7
1,2837
0,4704
0,00134
0,02798
0,01648
0,00469
0,93509
0,13
3,25
0,98
0,21
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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22. 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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23. 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
Furfural
Levulinico
Acético
MIBK
0,00135
0,02798
0,01648
0,93509
0,13
3,25
0,98
93,65
2,155. 10-14
1,173. 10-35
0,01635
0,91310
2,071. 10-12
1,362. 10-35
0,98237
91,45697
0,00135
0,02798
0,00012
0,02199
0,1300
3,2499
0,0076
2,2025
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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24. 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
Furfural
Levulinico
0,001352
0,02798
0,13000
3,24999
0,001352
2,84. 10-6
0,129996
0,000329
3,75. 10-8
0,02798
3,60. 10-6
3,2496
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25.  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
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