Diseño planta obtención etanol absoluto

Titulación: Ingeniería Química
Nombre: Hatem Ayed Carmona
Fecha: 2017
PROYECTO FINAL DE CARRERA:
DISEÑO DE UNA PLANTA PARA
LA OBTENCIÓN DE ETANOL
ABSOLUTO A PARTIR DE
ETANOL ACUOSO OBTENIDO
POR FERMENTACIÓN

Diseño de una planta para la obtención de etanol absoluto a partir
de etanol acuoso obtenido por fermentación
3
Índice
ÍNDICE
1. Introducción.................................................................................................... 7
1.1 Fermentación del etanol............................................................................... 8
1.2 Aplicaciones y usos del etanol ..................................................................... 9
1.3 Bioetanol .................................................................................................... 10
1.4 Etanol como aditivo de combustibles ......................................................... 12
1.5 Combustión del etanol................................................................................ 14
2. Obetivo......................................................................................................... 15
3. Azeotropo..................................................................................................... 17
3.1 Elección del tipo de destilación .................................................................. 19
3.1.1 Destilación en vacío ................................................................................ 19
3.1.2 Destilación azeotrópica ........................................................................... 20
3.1.3 Pervaporación ......................................................................................... 21
3.1.4 Destilación extractiva con sales .............................................................. 21
3.1.5 Destilación extractiva............................................................................... 21
4. Compuestos ................................................................................................. 25
4.1 Etanol ......................................................................................................... 25
4.2 Etilenglicol .................................................................................................. 26
4.3 Agua........................................................................................................... 27
4.4 Mezcla etanol-agua .................................................................................... 27
4.5 Mezcla etilenglicol-agua ............................................................................. 30
4.6 Mezcla etanol-etilenglicol ........................................................................... 31
5. Simulación.................................................................................................... 33
5.1 HYSYS ....................................................................................................... 33
5.2 ASPEN EXCHANGER DESIGN & RATING............................................... 34
6. Diseño preliminar ......................................................................................... 37
6.1 Inetcambiadores de calor ........................................................................... 39
6.2 Bombas de reflujo ...................................................................................... 43
6.3 Tanques de almacenamiento ..................................................................... 44
6.4 Diseño de columnas................................................................................... 46
6.5 Condiciones límite de operación ................................................................ 49

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Índice
6.6 Relación de reflujo óptima.......................................................................... 50
7. Diseño de planta .......................................................................................... 51
7.1 Elección del modelo de estimación del coeficiente de actividad ................ 52
7.2 Diseño de la columna de concentración..................................................... 53
7.3 Diseño de una columna de relleno ............................................................. 57
7.3.1 Elección de relleno .................................................................................. 59
7.3.2 Empaquetado de la columna de concentración....................................... 64
7.4 Diseño de la caldera de la columna de concentración ............................... 67
7.5 Diseño del condensador de la columna de concentración ......................... 71
7.6 Diseño de tanque de reflujo........................................................................ 73
7.7 Tanque de reflujo de la columna de concentración .................................... 74
7.8 Diseño bombas de reflujo........................................................................... 75
7.9 Bomba de reflujo de la columna de concentración..................................... 77
7.10 Diseño columna extractiva ....................................................................... 79
7.10.1 Empaquetado de la columna extractiva................................................. 83
7.11 Diseño de la caldera de la columna extractiva ......................................... 85
7.12 Diseño condensador de la columna extractiva ......................................... 88
7.13 Tanque reflujo columna extractiva............................................................ 91
7.14 Bomba de reflujo de la columna extractiva............................................... 92
7.15 Diseño columna de recuperación (CR)..................................................... 93
7.15.1 Empaquetado de la columna de recuperación ...................................... 96
7.16 Diseño de la caldera de la columna de recuperación............................... 98
7.17 Diseño del condensador de la columna de recuperación....................... 101
7.18 Tanque de reflujo de la columna de recuperación.................................. 103
7.19 Bomba de relujo de la columna de recuperación ................................... 104
8. Diseño de equipos auxiliares...................................................................... 107
8.1 Tanque de almacenamiento de etanol ..................................................... 107
8.2 Diseño de cambiador de calor auxiliar (Cooler)........................................ 108
8.3 Bomba de recirculación............................................................................ 111
8.4 Corriente de repuesto (MAKEUP) ............................................................ 113
9. Operaciones lógicas de HYSYS................................................................. 115
9.1 Operador "Recycle".................................................................................. 115
9.2 Operador "Adjust"..................................................................................... 116

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Índice
10 Evaluación económica .............................................................................. 119
10.1 Inversión y costes................................................................................... 119
10.2 Inmovilizado ........................................................................................... 120
10.3 Estimación del inmovilizado ................................................................... 121
10.4 Coste de las columnas ........................................................................... 123
10.5 Coste de las calderas............................................................................. 123
10.6 Coste de los condensador e intercambiador .......................................... 124
10.7 Coste de los tanques de reflujo y almacenamiento ................................ 125
10.8 Coste de las bombas centrífugas........................................................... 126
10.9 Coste del relleno .................................................................................... 127
10.10 Costes de producción........................................................................... 128
10.10.1 Costes del agua de refrigeración....................................................... 129
10.10.2 Costes del vapor de calefacción........................................................ 129
10.10.3 Costes de la mano de obra ............................................................... 130
10.10.4 Costes del consumo de electricidad.................................................. 130
10.10.5 Costes del mantenimineto................................................................. 131
10.10.6 Costes de suministros ....................................................................... 131
10.10.7 Costes de seguros ............................................................................ 132
10.10.8 Costes de amortización..................................................................... 132
10.10.9 Coste total anual ............................................................................... 132
11. BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................ 133
ANEXOS ........................................................................................................ 135
Anexo I. Ficha seguridad etanol..................................................................... 136
Anexo II. Ficha seguridad etilenglicol ............................................................. 138
Anexo III. Equilibrio etanol-agua..................................................................... 140
Anexo IV. Diagrama de la planta.................................................................... 142
Anexo V. Tabla de los datos de las corrientes en la planta............................ 144
Anexo VI. Bomba centrífuga........................................................................... 146
Anexo VII. Caldera Columna de Concentración (CC) .................................... 147
Anexo VIII. Condensador de la columna de concentración............................ 150
Anexo IX. Caldera de la columna extractiva (CE) .......................................... 153
Anexo X. Condensador columna extractiva (CE) ........................................... 156
Anexo XI. Caldera columna de recuperación (CR)......................................... 159

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Índice
Anexo XII. Condensador columna de recuperación (CR)............................... 162
Anexo XIII. Intercambiador de calor “Cooler” ................................................. 165
Anexo XIV. Propiedades relleno NORTON IMTP........................................... 168
Anexo XV. Plano columnas............................................................................ 172

7
Introducción
1. INTRODUCCIÓN
La limitación de los recursos de los combustibles derivados del petróleo,
así como los efectos colaterales de éstos en la emisión de gases nocivos y
contaminantes producidos en la combustión ha incrementado la búsqueda de
energías alternativas.
Una opción que se ha incrementado durante las últimas décadas es el uso
de bioetanol como combustible. El bioetanol es un alcohol que se produce en la
fermentación de los azucares o del almidón de la biomasa de cultivos y de los
desechos agrícolas. Como ejemplo en Estados Unidos se extrae del maíz
principalmente y en Brasil de la caña de azúcar (Wheals, 1999). En España se
extrae principalmente del trigo y de la cebada según los datos del ministerio de
industria (Ministerio de Industria, Turismo y Comercio, 2011), la materia prima de
extracción de cultivo para la fermentación del alcohol varía según el país y el
cultivo dominante de la región. Las ventajas en la fermentación es que la materia
prima es un recurso renovable, que el uso de bioetanol como combustible
produce menos emisiones de gases de efecto invernadero y que las emisiones
de dióxido de carbono se compensan al ser absorbido en el proceso de
regeneración de la materia prima vegetal que sirve de base para la producción
de etanol.
El proceso de obtención de etanol a partir de caña de azúcar comprende
la extracción del jugo de caña (rico en azúcares) y su acondicionamiento para
hacerlo más asimilable por las levaduras durante la fermentación. Del caldo
resultante de la fermentación debe separarse la biomasa, para dar paso a la
concentración del etanol mediante diferentes operaciones unitarias y a su
posterior deshidratación, forma en que es utilizado como aditivo oxigenante.
Para el proceso de obtención de etanol a partir de maíz es necesario
hidrolizar las cadenas de amilosa y amilopectina presentes en el almidón en
azúcares apropiados para la fermentación. La degradación del almidón se lleva
a cabo por procesos enzimáticos después de una etapa de gelatinización donde
se solubiliza el almidón con el fin de hacerlo más accesible a las amilasas. El

8
Introducción
jarabe de glucosa resultante es el punto de partida para la fermentación
alcohólica donde se obtiene una solución acuosa de etanol que debe ser enviada
a la etapa de recuperación de producto, tal como en el caso de la caña de azúcar.
La producción de etanol por fermentación produce una mezcla de etanol-
agua con una concentración de etanol aproximada de 5% molar, esta mezcla se
le somete a un proceso de purificación que consiste en la separación del etanol
del agua. Estos procesos de separación pueden ser diferentes e incluso en
algunos casos son necesarios otros componentes que actúan como solventes.
Los métodos para obtención de etanol anhidro son la destilación, la
adsorción, la pervaporación y combinación de éstas (Valle, 2008)
.
1.1 FERMENTACIÓN DEL ETANOL
La fermentación se defina como un proceso de biotransformación en el
que se lleva a cabo cambios químicos en un sustrato orgánico por la acción de
enzimas sintetizadas por microorganismos conocidos como biocatalizadores. En
este caso es capaz de convertir los azúcares en etanol cuando las condiciones
son anaeróbicas, en ausencia de oxígeno.
Con la fermentación alcohólica se consigue bioetanol de segunda
generación mediante la fermentación de los azúcares contenidos en residuos
orgánicos. La mayoría de la producción de etanol se lleva a cabo con diferentes
especies de levaduras debido a su alta productividad en la conversión de
azúcares a etanol.
La reacción de fermentación para la formación de etanol es la siguiente:

9
Introducción
Figura 1.1. Reacción de fermentación del etanol.
Se distinguen dos fases, una fase aerobia de crecimiento en la cual la
glucosa para a dióxido de carbono y otra anaerobia de producción de etanol en
la que glucosa pasa a etanol y dióxido de carbono. Incluso en la fase anaerobia
es necesaria una cierta presencia de oxígeno, ya que las levaduras lo necesitan
para producir sus esteroles y sus ácidos grasos insaturados de membrana. El
piruvato producido durante el catabolismo es procesado por la piruvato
descarboxilasa, enzima catalizadora, a acetaldehído y dióxido de carbono. SE
produce entonces etanol a partir de acetaldehído mediante la reducción por la
enzima alcohol deshidrogenasa (Lynd, 1991).
1.2 APLICACIONES Y USOS DEL ETANOL
El etanol se utiliza de forma general para la preparación de bebidas
alcohólicas además de muchos sectores industriales, sobre todo en el sector
farmacéutico como excipiente de algunos medicamentos y cosméticos. Es un
buen disolvente y puede actuar también como desinfectante. En la industria
química se utiliza como compuesto de partida en la síntesis de diversos
compuestos, como por ejemplo el acetato de etilo que se utiliza como disolvente.
Una de las aplicaciones de mayor importancia del etanol es como carburante y
aditivos para gasolinas.

10
Introducción
1.3 BIOETANOL
Al etanol obtenido a partir de la biomasa por medio de la fermentación se
le denomina bioetanol. Las principales materias primas empleadas en la
producción de bioetanol son la caña de azúcar, las melazas, la remolacha
azucarera y los cereales. La primera es la más utilizada en Brasil, donde en la
campaña 2008/2009 se procesaron más 7000 millones de toneladas de caña,
para producir 31,0 millones de toneladas de azúcar y 27,5 millones de metros
cúbicos de etanol (9,3 millones de metros cúbicos de etanol anhidro y el resto de
etanol hidratado). En total, se calcula que en todo el mundo la producción de
caña de azúcar dedicada a la fabricación de bioetanol ascendió en 2009 a 294
millones de toneladas. La remolacha azucarera es una materia prima que sólo
es transformada en bioetanol en la Unión Europea, donde en 2009 se emplearon
casi 7 millones de toneladas de tubérculos para este fin. Por otro lado, y en lo
que respecta al uso de cereales, en la campaña 2008/20099 aproximadamente
un 6,0% de la cosecha mundial de cereales fue empleada en la producción de
bioetanol y el consumo neto en 2008/09 ascendió a un 4% de la cosecha. En el
ámbito de la producción, los últimos datos disponibles muestran a escala global
el liderazgo de Estados Unidos, seguido de Brasil y a mucha más distancia la
Unión Europea y China. En el ámbito europeo son Francia y Alemania quienes
han consolidado su posición de liderazgo, tras hacer una firme apuesta por el
crecimiento, basada en el desarrollo del mercado de mezclas directas. Toda esa
producción se encuentra sujeta al cumplimiento de estrictas normas de calidad,
entre las que destacan la brasileña (Resolución nº 36/2005 de la ANP, que fija
las especificaciones del etanol anhidro e hidratado), la europea (norma EN
15376, para etanol anhidro en mezclas con gasolina) y la norteamericana (ASTM
D4806).
Desde el punto de vista medioambiental los biocarburantes están
cargados de ventajas. De todas ellas, la más destacable es la importante
reducción en las emisiones de gases de efecto invernadero, que se produce
como consecuencia de la sustitución de los derivados del petróleo por estos

11
Introducción
carburantes. Aunque los biocarburantes liberan CO2 durante su combustión,
este ha sido previamente absorbido por la materia vegetal que constituye su
materia prima. De este modo, el balance de emisiones es casi neutro, aunque
no llega a serlo totalmente porque se producen algunas desviaciones debidas a
las emisiones producidas por la maquinaria agrícola necesaria para obtener la
materia prima, el consumo energético de las plantas de procesado o el transporte
de la biomasa a los centros de producción y de los biocarburantes ya elaborados
a los puntos de distribución y venta. En cualquier caso, la reducción es muy
significativa.
Según un informe del Instituto para la Diversificación y Ahorro de la
Energía (IDAE, 2006) en cuanto al bioetanol, los datos disponibles no son tan
precisos y habría que diferenciar entre el alcohol hidratado, que se mezcla
directamente con la gasolina, y el utilizado en la síntesis del ETBE. Diversos
autores cifran la reducción de emisiones de GEI (gases de efecto invernadero)
entre un 40 y un 80%, lo cual no deja de ser un buen comienzo para detener el
deterioro de la atmósfera. En caso de producirse vertidos residuales de
bioetanol, éstos tienen una capacidad mucho mayor para disolverse en el agua,
por lo que resulta altamente biodegradable. Esto significa que, mientras la
eliminación total de un vertido de fuel puede llevar años, requerir grandes
inversiones en trabajos de retirada y resultar altamente peligroso para las
personas y el medio, un vertido de bioetanol se elimina de manera natural en un
plazo medio de 21 días y tanto su toxicidad como su peligrosidad resultan mucho
menores. El bioetanol aporta más energía de la que se necesita para su
producción, alrededor del doble.
En lo que respecta a las prestaciones todo depende del tipo de
biocarburante y el grado de utilización, pues es cierto que el poder calorífico del
carburante de origen vegetal es algo menor que el del carburante fósil de
referencia. Por otro lado, en cuanto a su influencia en la mecánica, sería más
correcto hablar de los beneficios de los biocarburantes.

12
Introducción
1.4 ETANOL COMO ADITIVO DE COMBUSTIBLES
El bioetanol se emplea en mezclas con la gasolina convencional para
substituir a ésta parcialmente como carburante, en mayores o menores
proporciones. No se substituye totalmente a la gasolina, ya que ésta le da a la
mezcla estabilidad y resta volatilidad, lo que facilita su uso cotidiano y su
transporte y almacenamiento. Las mezclas más usadas en la actualidad son las
denominadas e5, e10 y e85, siendo éstas mezclas de gasolina con un 5 %, un
10 % y un 85 % de etanol respectivamente. Sin embargo, existen países, como
Brasil, donde la mezcla más usada con diferencia es el e25 (25 % etanol, 75 %
gasolina).
Para este tipo de combustibles es de vital importancia que no halla restos
de agua en la mezcla, ni siquiera restos minúsculos, ya que el agua y las
gasolinas son inmiscibles y provocan una heterogeneidad de fases. Este
fenómeno es altamente nocivo para el proceso de combustión y para las piezas
internas de un motor de combustión.
Según un estudio de investigadores de la Universidad de Salamanca para
la optimización de los motores de combustión interna, indica que un automóvil
de gasolina funciona mejor con una mezcla de hasta 20% de etanol sin tener que
modificar el diseño del motor (Hernández-Sabrino, 2009). Para porcentajes
mayores de etanol en la mezcla combustible es necesario realizar cambios en el
motor para adaptarlo al biocombustible. Con esta parte de etanol en la mezcla
aumenta la potencia del motor, disminuyen las emisiones de monóxido de
carbono y disminuye el consumo. Además, esta mezcla tiene un índice de
octanaje mayor. Este índice mide la calidad de las gasolinas en función de la
capacidad antidetonante del carburante cuando se comprime en el cilindro del
motor. Por tanto, un índice de octanaje mayor aumenta la eficacia de un motor y
también mejora su funcionamiento al dañar menos los cilindros.
A mayor porcentaje de etanol, menor la cantidad de emisiones de gases
de efecto invernadero y por consiguiente, mayor beneficio ecológico de su uso

13
Introducción
como combustible (Abengoa Bioenergía, 2012). El combustible resultante de la
mezcla de etanol y gasolina se conoce como gasohol o alconafta.
Uno de los objetivos que se marcan los gobiernos y comunidades
internacionales es la reducción paulatina de las emisiones de gases de efecto
invernadero, CO2 y otros gases contaminantes. La UE se ha fijado el objetivo de
disminuir un 10 % las emisiones de dióxido carbónico para el 2015, apostando
fuertemente por el uso del bioetanol en el transporte. Por su parte, EEUU ha
fijado una meta de una reducción del 20 % para el 2020. De este modo,
dependiendo de la proporción, el empleo de bioetanol en mezclas con gasolina
para el uso como combustible, puede reducir hasta en un 90 % las emisiones de
CO2 y otros gases de efecto invernadero.
La práctica totalidad de los automóviles actuales están preparados para
poder usar e5 con total fiabilidad (de hecho, todas las gasolinas ya llevan una
pequeña porción de etanol), y la gran mayoría pueden funcionar con e10
manteniendo todas sus prestaciones. En Estados Unidos, todos los vehículos de
cualquier marca y modelo pueden funcionar con e10 y todos los fabricantes de
automóviles que comercializan en EEUU aceptan combustibles con mezclas de
etanol. En 2006, casi el 50 % de gasolina de EEUU se mezclaba con etanol, y la
mayoría en proporciones de e10.
Para poder usar mezclas en mayor proporción hasta un 85 %, es
necesaria una modificación en la configuración de los coches actuales (en
aquellos que sea posible), o adquirir alguno de los coches disponibles en el
mercado (FFV, flexible fuel vehicle), que admiten combinaciones variables desde
únicamente gasolina, hasta mezclas con un 85 % de etanol, e85, irregular y
arbitrariamente. Cada vez son más fabricantes de automóviles los que se
apuntan a esta nueva tecnología de los FFVs que prometen ser el futuro a corto
y medio plazo de la industria automovilística.
Se están realizando nuevos experimentos con mezclas más puras, con
los denominados e95 y e100 (95 % y 100 % de etanol), pero estas tecnologías
están aún en fase de investigación.

14
Introducción
1.5 COMBUSTIÓN DE ETANOL
El bioetanol tiene un alto calor de combustión y un índice de octanaje alto.
Mezclado con la gasolina común produce un combustible con un alto calor de
combustión y poder energético. Las reacciones para la combustión de etanol y
gasolina son las siguientes:
Etanol: C2H5OH (l) + 3 O2 (g) 2 CO2 (g) + 3 H2O (g)
Gasolina: C8H18 (l) + 25/2 O2 (g) 8 CO2 (g) + 9 H2O (g)
En condiciones de combustión completa, una molécula de etanol produce
dos moléculas de dióxido de carbono con un calor de combustión de 29.7 kJ/g.
El iso-octano produce ocho moléculas de dióxido de carbono con un calor de
combustión de -47.7 kJ/g. Comparando las reacciones se aprecia que el etanol
produce menor cantidad de dióxido de carbono, por lo tanto, contamina menos,
sin embargo la combustión de la gasolina produce mayor poder energético por
lo que se necesita una mayor cantidad de consumo de etanol para igualar el
comportamiento de la gasolina.

15
Objetivo
2 OBJETIVO
El objetivo de este proyecto es el diseño de una planta para la producción
de etanol puro a partir de una corriente de etanol diluido obtenido a partir de una
fermentación.
Debido al auge del uso de etanol como combustible, la producción de etanol
absoluto es, en principio, productiva y rentable para su comercialización.
En la fermentación de alcohol se obtiene alcohol etílico diluido en agua, el
porcentaje de alcohol en esta disolución es aproximadamente 5% molar, con lo
que se debe purificar esta disolución para obtener la máxima concentración de
etanol. Para conseguir la mayor concentración de alcohol se debe separar el
agua de esta disolución, por lo tanto, se utiliza la destilación. El proceso de
fermentación no será considerado para el diseño de la planta, se parte de una
corriente de alcohol fermentado que suministra a la planta.
La destilación consiste en separar los componentes de una mezcla
utilizando sus diferentes puntos de ebullición.
La mezcla etanol-agua contiene un azeótropo, es lo que dificulta su
destilación, por lo que se ha diseñar los equipos necesarios para poder romper
esta azeotropía y poder así obtener etanol lo más purificado posible.

16
Objetivo

17
Azeótropo
3. AZEÓTROPO
La separación simple de dos substancias se relaciona con líquidos que
forman una mezcla que se comporta idealmente como el que se ve a
continuación:
Figura 3.1. Diagrama T-x-y mezcla ideal.
Se observa en la figura como en una mezcla binaria ideal sigue la ley de
Raoult, donde se diferencia la región de fase líquida, la fase en la que líquido y
vapor coexisten y la fase vapor. Sin embargo, existen mezclas que no siguen la
ley de Raoult (no ideales), como es la que se muestra en la siguiente figura, a
este tipo de mezcla en particular se le denomina azeotropo.
Figura 3.2. Diagrama P-x-y mezcla no ideal.

18
Azeótropo
Para expresar la no idealidad de una mezcla líquida se introduce el
coeficiente de actividad, γi, en la ley de Raoult. Si el coeficiente es igual a la
unidad la mezcla es ideal, si es inferior la mezcla presenta desviaciones
negativas de la idealidad y si el coeficiente es superior a la unidad la mezcla
presenta desviaciones positivas de la idealidad. Las desviaciones positivas son
más frecuentes y tienen lugar cuando las moléculas de los diferentes
compuestos no son semejantes y no existen interacciones preferentes entre
ellos. Las desviaciones negativas se dan cuando hay fuerzas atractivas
preferentes entre los compuestos como por ejemplo cuando existen puentes de
hidrógeno en los dos compuestos (King, 1980).
A nivel molecular, las desviaciones negativas de la ley de Raoult reflejan
que las fuerzas de atracción intermolecular en la fase líquida entre pares de
moléculas diferentes son más fuertes que las existentes entre moléculas
idénticas. Por el contrario, se obtienes desviaciones positivas cuando en la
disolución las fuerzas intermoleculares entre moléculas iguales son mayores que
las existentes entre moléculas diferentes. En ese último caso las fuerzas entre
las moléculas de un mismo componente pueden ser tan fuetes que lleguen a
impedir la completa miscibilidad, y el sistema forma dos fases liquidas separadas
en un determinado rango de composición.
La presión y la temperatura tienen normalmente un efecto importante
sobre el comportamiento de los sistemas que presenta azeotropo y modifican la
composición a la que éste se produce, llegando incluso a desaparecer para
algunos sistemas en algunas composiciones.
Un azeotropo puede describirse como una mezcla que en ciertas
condiciones de temperatura y presión se comporta como un compuesto puro,
como una sola fase. En otras palabras, los dos líquidos que forman la mezcla
tienen su punto de ebullición (cambio de fase) a la misma temperatura. En
general un estado azeotrópico se define como un estado en el cual ocurre una
transferencia de masa entre dos fases mientras la composición de cada fase se
mantiene constante.

19
Azeótropo
Un azeótropo representa un problema importante para la destilación, que
como se explicó anteriormente, aprovecha la diferencia del punto de ebullición
de los compuestos que forman una mezcla para poder llevar a cabo su
separación. Sin embargo, existen técnicas de destilación que permiten separar
mezclas azeotrópicas como anteriormente se ha comentado.
3.1 ELECCIÓN DEL TIPO DE DESTILACIÓN
Cuando las sustancias a separar presentan un azeótropo, se utilizan
diferentes métodos para poder separar los componentes de manera óptima.
3.1.1 DESTILACIÓN EN VACÍO
Se puede llevar a cabo una destilación a vacío aprovechando el efecto
que produce al sistema la disminución de la presión. A continuación, se puede
observar.
Figura 3.3 Diagrama de representación composición molar azeotrópica en
función de la presión.
Sin embargo, esta medida suele ser descartado por el alto coste que se
necesita para disminuir la presión en la columna

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Azeótropo
3.1.2 DESTILACIÓN AZEOTRÓPICA
La destilación azeotrópica es una técnica usada para romper un
azeótropo. Para romper el azeótropo se añade un agente de separación que
provoca que la corriente de destilado resultante sea heterogénea, es decir, que
se componga por más de una fase. Por lo que es necesario un tanque de
decantación, para separar las fases (Luyben, 2006).
Figura 3.4 Esquema de planta de una destilación azeotrópica.
Un agente de separación común para las mezclas etanol-agua es el
benceno. En años posteriores era el agente separador más utilizado para la
obtención de etanol, sin embargo, ha perdido aceptación debido a su toxicidad,
ya que es cancerígeno, impidiendo así la aplicación de etanol obtenido con fines
farmacéuticos y alimenticios. Esto ha obligado a muchas plantas de etanol a
cambiar su tecnología para la producción.

21
Azeótropo
3.1.3 PERVAPORACIÓN
En este proceso de separación, una mezcla líquida se pone en contacto
con una membrana polimérica permeable microporosa y selectiva. Uno de los
componentes de la mezcla se transporta de manera preferente a través de la
membrana en estado vapor, después es condensado y recuperado. El término
pervaporación proviene de la conjunción entre permeación y evaporación.
3.1.4 DESTILACIÓN EXTRACTIVA CON SALES
El agente o entrainer necesario para romper el azeótropo en una mezcla
para este tipo de destilación es una sal iónica, no volátil y soluble en la mezcla
líquida.
La mezcla líquida con el etanol alimenta una destiladora salina donde se
mezcla con la sal (ej. acetato potásico). Se obtiene una solución concentrada de
sal en la parte del residuo y como destilado etanol anhidro. La etapa de
recuperación está formada por un secador por atomización que permite
recuperar la sal.
3.1.5 DESTILACIÓN EXTRACTIVA
La destilación extractiva es un método de separación de azeótropos
binarios de mínimo punto de ebullición y se produce en presencia de un agente
de separación de alto punto de ebullición, el cual es completamente miscible con
los componentes de la mezcla en todas las proporciones. Este agente no
presenta la formación de azeótropos con ninguno de los componentes de la
mezcla (Knapp, 1992). El entrainer provoca una alteración en las volatilidades
relativas de los componentes de la mezcla, debido a su baja volatilidad éste
tiende a permanecer en forma líquida, razón por la cual se alimenta en las etapas
superiores de la columna para que su efecto sea aprovechado a lo largo de toda
la columna.

22
Azeótropo
Figura 3.5. Esquema de planta de una destilación extractiva.
En este tipo de destilaciones en la columna donde se produce la
destilación extractiva se obtiene un destilado rico en componente volátil y un
residuo en la que se encuentra el agente de separación. Este resido se trata en
otra columna de destilación para poder así recuperarlo y recircularlo de nuevo a
la columna extractiva.
Existe gran variedad de solventes que modifican la forma de la curva de
equilibrio líquido-vapor y eliminan el azeótropo. Para el caso de la destilación
extractiva, los agentes más utilizados son glicoles, aminas, fenoles hidrofóbicos,
parafinas, gasolina, tiofenos y otros.
Figura 3.6. Equilibrio L-V con y sin solvente.

23
Azeótropo
Se observa en la figura 3.6 que, al añadir un solvente, la curva del
equilibrio vapor-líquido en la mezcla etanol-agua es perturbada provocando la
desaparición el azeótropo, provocando así que el etanol se pueda purificar más
del 89% molar.
Figura 3.7 Equilibrio L-V para diferentes solventes.
Como para obtener etanol con un alto grado de pureza se necesita romper
el azeótropo lo que condiciona la elección del tipo de destilación, azeotrópica o
extractiva, es por lo tanto la elección del agente de separación.
El benceno es un compuesto muy volátil y cancerígeno, por lo que las
medidas de seguridad para el almacenamiento y el riesgo para la salud que
puede llegar a provocar hacen que el entrainer más adecuado sea el etilenglicol.
Por lo tanto, se llevará a cabo una destilación extractiva de la mezcla
etanol-agua con etilenglicol, para así romper la azeotropía y obtener etanol en
estado puro (Meirelles, 1992).

24
Azeótropo

25
Compuestos
4. COMPUESTOS
Los compuestos con los que se va a trabajar en el diseño de la planta son
el agua, etanol y etilenglicol.
4.1 ETANOL
El etanol es el nombre sistemático definido por la IUPAC (International
Union of Pure and Applied Chemistry) y su fórmula química es C2H6O. Según la
nomenclatura de la química orgánica para la molécula con dos átomos de
carbonos se utiliza el prefijo “et- “, la unión “-ano-” porque es una molécula
orgánica saturada y el sufijo “-ol” por el grupo alcohol unido. El etanol forma parte
de las familias de los alcoholes y por ello también se le denomina alcohol etílico.
Es un compuesto orgánico de dos carbonos dónde uno de los átomos de
hidrógeno enlazados a un carbono se sustituye por el grupo hidroxilo (-OH)
enlazado covalentemente. Los alcoholes son saturados, es decir, todos los
enlaces entre átomos son simples. El grupo hidroxilo permite que las moléculas
de alcohol sean solubles en el agua y que se puedan formar puentes de
hidrógeno.
El etanol es un líquido incoloro, volátil, con un olor característico y sabor
picante. La temperatura de ebullición del etanol a presión atmosférica es de
78.4ºC. La volatilidad del etanol se fundamenta en las débiles fuerzas
intermoleculares, lo que proporciona una alta presión de vapor, es decir, a
temperatura ambiente y presión atmosférica el etanol estará en estado líquido
para las moléculas de etanol se irán evaporando hasta que la presión de vapor
iguale la presión atmosférica. Por consiguiente, en un recipiente abierto de etanol
puro el líquido se evaporará sin que la temperatura del medio aumente. Esta
volatilidad provoca que el etanol sea un compuesto inflamable.
El etanol actúa sobre los receptores GABA de tipo A como modulador
alostérico positivo aumentando el flujo de iones transmembrana que induce a un
estado de inhibición neuroquímica. Es decir, afecta al sistema nervioso central

26
Compuestos
provocando euforia, desinhibición, mareos, somnolencia, confusión, ilusiones y
dificulta los reflejos. Con concentraciones más altas ralentiza movimientos,
impide la coordinación correcta de los miembros, pérdida temporal de la visión y
producción de vómitos. Una ingesta masiva conduce al coma y puede provocar
muerte. Los efectos en la inhalación de vapores de etanol no son serios siempre
que se use de manera razonable. Una inhalación prolongada de concentraciones
altas (mayores de 5000 ppm) produce irritación de ojos y tracto respiratorio
superior, náuseas, vómito, dolor de cabeza, excitación o depresión,
adormecimiento y otros efectos narcóticos, coma o incluso, la muerte.
4.2 ETILENGLICOL
El etilenglicol es un compuesto químico perteneciente al grupo de los
dioles o glicoles. Los dioles son compuestos orgánicos que tienen dos grupos
hidroxilos (-OH). El etilenglicol es un líquido transparente, incoloro, ligeramente
espeso y con un leve sabor dulce. Es muy poco volátil a temperatura ambiente
con una temperatura de ebullición de 197ºC a presión atmosférica, pero puede
existir en el aire en forma de vapor.
Su fórmula química es C2H6O2 y, se le denomina sistemáticamente 1,2-
etanodiol. Se trata del diol más sencillo y contiene dos átomos de carbono por lo
que se utiliza el prefijo “et- “, y dos grupos alcohol, uno el primer carbono y otro
grupo en el segundo alcohol por lo que se añade el sufijo “-diol”.
El etilenglicol se utiliza como aditivo anticongelante en el agua para reducir
su punto de solidificación, logrando que la mezcla resultante se congele a una
temperatura más baja y también aumentar el punto de ebullición en climas más
cálidos. Las mezclas de etilenglicol surgen en 1937 y todavía hoy se utilizan
como principal anticongelante para los radiadores de motores de combustión
interna. Se utiliza además como principal compuesto de líquido de frenos de
vehículos. En la industria se estima que el etilenglicol refleja 1700 usos de este
compuesto y sus derivados. Se utiliza en la fabricación del polímero poliéster y
para la obtención de disolventes para pintura.

27
Compuestos
La síntesis de este glicol se produce a partir de etileno, mediante el
compuesto intermedio óxido de etileno, éste reacciona con agua produciendo
etilenglicol. La reacción puede ser catalizada por ácidos o bases, o puede
producirse a pH neutro a temperaturas elevadas.
La ingestión de etilenglicol en cantidades muy altas puede causar sordera,
ceguera, secuelas cerebrales e incluso la muerte, en cantidades altas puede
producir náuseas, convulsiones, dificultad para hablar, desorientación y
problemas de corazón y de riñón. Afecta a la química del cuerpo aumentando la
cantidad de ácido produciendo problemas en el metabolismo. La intoxicación se
presenta como depresión del sistema nervioso central e irritación en el lugar de
absorción, seguido de acidez e hipocalcemia. Para alertar o diferenciar las
soluciones de etilenglicol se añade un aditivo colorante para cambiar el color de
la mezcla.
4.3 AGUA
El agua es una sustancia muy abundante en la tierra. La molécula de agua
está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, H2O. Su estado
natural es líquido y es tradicionalmente incolora, inodora e insípida. La
temperatura de ebullición del agua es, a presión atmosférica, de 100ºC.
El agua líquida es una sustancia muy polar, por lo que es un disolvente
muy potente.
4.4 MEZCLA ETANOL-AGUA
El etanol y el agua son solubles entre sí, debido a la interacción entre
moléculas soluto-solvente adquiere forma de enlaces de hidrógeno,
comparables en magnitud a los que se producen entre moléculas de agua y

28
Compuestos
molécula de etanol. Por lo tanto, la mezcla resultante es miscible y presente solo
una fase.
Para la mezcla etanol-agua, la fase líquida tiene un comportamiento no
ideal, es decir, los dos componentes forman una mezcla que hierve de forma
constante y se recogen en ocasiones juntos, aunque tengan diferentes puntos
de ebullición, debido a como se ha descrito con anterioridad la mezcla
considerada forma un azeótropo. La mezcla azeotrópica de etanol-agua tiene un
punto de ebullición del agua de 78.2ºC, inferior al punto de ebullición del agua
que es de 100ºC y al del alcohol que es de 78.3ºC (todos los puntos de ebullición
en función de la presión atmosférica), de ahí que se le llame mezcla de punto de
ebullición mínimo.
Para corregir la no linealidad del sistema se introduce en la ecuación de
la ley de Raoult un coeficiente de corrección denominado coeficiente de
actividad, γi:
𝒚𝒊.· 𝑷 = 𝒙𝒊 · 𝑷𝒊
𝒔𝒂𝒕
· 𝜸𝒊
El coeficiente de actividad se puede calcular por diferentes modelos de
ajuste y de estimación que se pueden clasificar en dos grandes grupos:
ecuaciones polinómicas y modelos de composición local. Si la mezcla líquida
fuera ideal el valor del coeficiente de actividad sería equivalente a la unidad por
lo que desaparecería de la ecuación y quedaría la formula descrita por la ley de
Raoult. El comportamiento del vapor formado se considera como ideal debido a
la baja presión por lo que no se utiliza el factor de Poynting, Φi, para corregir la
ley de Raoult.
𝒚𝒊 · 𝜱𝒊 · 𝑷 = 𝒙𝒊 · 𝑷𝒊
𝒔𝒂𝒕
· 𝜸𝒊
Para presiones bajas o moderadas el factor de Poynting es prácticamente
la unidad por lo que la anterior ecuación se simplifica.

29
Compuestos
Para representar el equilibrio etanol-agua se ha utilizado el programa de
simulación de procesos ASPEN PLUS V8.0. El modelo termodinámico que se ha
utilizado para el equilibrio de fases es NRTL (NonRandom, Two Liquid):
Figura 4.1 Diagrama x-y mezcla etanol-agua a presión atmosférica.
En el diagrama anterior se observa el equilibrio etanol-agua y se puede
contemplar una flecha que indica donde las composiciones del vapor y del líquido
se igualan, el azeótropo. En la siguiente figura se representa el equilibrio etanol-
agua en función de la temperatura a presión atmosférica.
Figura 4.2. Diagrama T-x-y mezcla etanol-agua a presión atmosférica.

30
Compuestos
Al realizar zoom en este diagrama se puede observar con mayor precisión
el punto donde se halla el azeótropo:
Figura 4.3. Diagrama T-x-y etanol-agua, vista del azeótropo.
La composición donde las concentraciones de vapor y líquido se igualan,
es decir, la concentración del azeótropo se encuentra en el 89 % molar a 78.2ºC
en la mezcla etanol-agua a presión atmosférica 1 atm. La concentración
volumétrica aproximada es de un 96%, de hecho, al alcohol sanitario que se
utiliza para desinfectar se le conoce como alcohol 96º porque este destilado
hasta su punto azeotrópico ya que el coste de obtener alcohol más puro es
mucho más considerable.
A presiones inferiores a 85 mmHg el azeótropo de la mezcla etanol-agua
desaparece, pero esto implica que la presión de trabajo en la columna de
rectificación sea muy baja por lo que se debería utilizar métodos a vacío que
produce un incremento en los costes de producción del etanol.
4.5 MEZCLA ETILENGLICOL-AGUA
La mezcla resultante de etilenglicol y agua da un líquido incoloro miscible
de una sola fase que se comporta de manera ideal. El equilibrio resultante de la

31
Compuestos
mezcla se observa en el siguiente diagrama en función de la temperatura y a
presión atmosférica:
Figura 4.4. Diagrama T-x-y mezcla etilenglicol-agua a presión atmosférica.
4.6 MEZCLA ETANOL-ETILENGLICOL
La mezcla de etanol con etilenglicol también es miscible y se comporta de
manera ideal, a continuación, se muestra el equilibrio entre estos dos
componentes en función de la temperatura a presión atmosférica:
Figura 4.5. Diagrama T-x-y mezcla etanol-etilenglicol a presión atmosférica.

32
Simulación

33
Simulación
5. SIMULACIÓN
Con la finalidad de diseñar los diferentes operadores para poder llevar a
cabo el proceso, se ha utilizado el simulador de procesos de Aspen. Con
Aspen HYSYS se realizará la simulación y los cálculos oportunos para el
diseño de las columnas. Además, en el contenido de programas de Aspen
se ha utilizado el programa “Exchanger Design and Rating User Interface”
para diseñar los diferentes cambiadores de calor.
5.1 HYSYS
Aspen HYSYS es una herramienta de simulación de procesos muy
potente, ya que cuenta con una bibliografía de datos muy extensa, además
realiza una variedad y multitud de cálculos que facilita el trabajo a la hora de
diseñar operadores y equipos.
Al abrir el programa, se presiona el botón “new” para empezar una
simulación. Los primeros datos que hay que introducir son los componentes
implicados en el proceso a tratar, como se ve a continuación:
Figura 5.1. Elección Fluid Packages HYSYS.

34
Simulación
Otro dato necesario antes de comenzar, es la elección” fluid packages”,
se refiere al modelo de cálculo de los coeficientes de fugacidad y actividad que
se utilizan para representar la desviación de la idealidad de las fases vapor y
líquida para poder determinar las composiciones de equilibrio en un sistema.
Superado estos dos pasos ya se puede empezar la simulación eligiendo
el operador necesario para un proceso determinado e introducir los valores de
las diferentes corrientes, como se observa en la siguiente imagen:
Figura 5.2. Elección operadores HYSYS.
5.2 ASPEN EXCHANGER DESIGN & RATING
Esta aplicación se encuentra dentro de un conjunto de programas de
Aspen y se utiliza para el diseño de diferentes tipos de cambiadores de calor.
Cuando el programa se inicia requiere que se introduzca que tipo de cambiador
queremos diseñar, una vez elegido es bastante práctico, ya que para realizar el
diseño se piden una serie de datos que van señalados en casillas de color azul.
Se observa en la siguiente imagen:

35
Simulación
Figura 5.3. Introducción de los valores de diseño en Aspen Exchanger Design &
Rating.
Introducidos los datos necesarios, la simulación puede empezar en el
apartado “console”, presionando el botón “RUN”. Si los datos están bien
introducidos se generará el diseño del cambiador, por el contrario, si se produce
algún error en el apartado “Errors & Warnings” nos lo mostrará, describiendo con
detalle donde se ha producido el error y así poder enmendarlo. En este apartado
también se notificará unas notas de avisos para poder corregir los datos y dar
resultados más precisos.
Como resultado de la simulación resultará un cambiador de calor básico
que puede ser optimizado cambiando diferentes tipos de opciones, como por
ejemplo los pasos por tubos, la distribución de éstos, el tipo de carcasa entre
muchas opciones que nos ofrece el programa.

36
Diseño preliminar

37
Diseño preliminar
6. DISEÑO PRELIMINAR
Dado que el objetivo principal para diseñar la planta es la producción de
etanol puro a partir de una corriente de fermentación, el primer paso es tratar la
corriente de alimentación.
La corriente de alimentación consta de una mezcla etanol-agua cuyo
porcentaje de etanol es del 5% molar, esta cantidad de alcohol es el resultado
de una fermentación previa de la que se ha de partir.
Para conseguir el máximo etanol de esta corriente primera se ha separar
los componentes de la mezcla, con lo que se realizara una primera destilación
en columna a presión atmosférica para obtener un destilado con una
concentración de alcohol cercana al azeótropo. En la mezcla el azeótropo se
produce cuando la concentración de líquido llega aproximadamente al 89% y a
la temperatura de 78,2 º C, por lo tanto, el producto de la destilación debe
contener una concentración de etanol y temperatura inferior para que el diseño
de la columna sea rentable.
Figura 6.1 Columna de concentración.
El destilado que resulte de la columna de concentración o pre columna
contiene más concentración de etanol que agua, pero con cantidades muy
cercanas a la zona del azeótropo.

38
Diseño preliminar
Esta corriente es la que alimentará a la columna principal donde se
producirá la destilación extractiva.
Para hacer posible la obtención de etanol puro se ha de romper el
azeótropo por lo que a la columna extractiva se añadirá otra corriente de
alimentación que contiene el agente de separación, en este caso, una corriente
que contiene absolutamente etilenglicol líquido.
Figura 6.2. Columna Extractiva.
La alimentación de la corriente de etilenglicol se introduce en la columna
extractiva siempre en etapas superiores a la corriente que contiene la mezcla del
azeótropo para que el efecto agente de separación actúe a lo largo de toda la
columna. El solvente alterará las volatilidades relativas de los componentes de
la mezcla dando como destilado una corriente de etanol prácticamente puro.
Sin embargo, la corriente de residuo de ésta columna extractiva estará
formada por una mezcla de agua y etilenglicol. Para separar esta mezcla y poder
recircular nuevamente el etilenglicol a la parte superior de la columna extractiva
se ha de realizar una separación por destilación.

39
Diseño preliminar
Figura 6.3. Columna de recuperación.
Ésta destilación será simple, ya que el agua y el etilenglicol tiene puntos
de ebullición diferentes y no forman azeótropos. El etilenglicol tiene una
temperatura de ebullición de 197ºC y el agua de 100ºC por lo que se necesitara
una columna de recuperación a presión atmosférica para realizar la destilación.
Ha de considerarse que para el funcionamiento de cada columna de
destilación es necesario el diseño de un condensador total y una caldera. Estos
operadores industriales se tratan como cambiadores de calor.
6.1 INTERCAMBIADORES DE CALOR
Para el correcto funcionamiento de las columnas se necesita modificar el
contenido entálpico de diversas corrientes de fluido. Esto se debe a que se
necesita que un fluido aumente o disminuya su temperatura a la que se
encuentra para una operación posterior, entonces, ara llevar a cabo este proceso
hay que suministrar o eliminar una cantidad de energía calorífica.
Los cambiadores de calor son dispositivos que tiene la función de
transferir energía calorífica entre dos fluidos. Por lo general, un fluido más
caliente suministra una cantidad de energía calorífica a otro fluido que posee una
temperatura menor (Sanchotello & Orchillés, 2007).

40
Diseño preliminar
Los cambiadores de calor se pueden clasificar en tres grandes grupos:
acumuladores, cambiadores de contacto directo y cambiadores de calor de
contacto indirecto.
El cambiador más común es el contacto indirecto, donde los dos fluidos
no se mezclan y están separados por una pared sólida, por lo general metálica.
La transmisión de calor tiene lugar desde el fluido más caliente hacia la pared
sólida por convección, a través de la pared por conducción y desde aquí al fluido
más frio por convección.
Los cambiadores de calor más comunes en la industria son los de carcasa
y tubos, debido a su mayor área de transferencia de calor. Se forman por una
carcasa externa (shell) que contiene muchos tubos de pequeño diámetro en su
interior. El fluido caliente entra y reparte su caudal por el interior de los tubos, y
el fluido frio circula por el espacio que queda entre los tubos y la carcasa.
Figura 6.4. Esquema de un cambiador de calor de carcasa y tubos, con dos pasos por
tubos.
El diseño de estos cambiadores es variado ya que se puede variar el
número de pasos de circulación del fluido por los tubos o por la carcasa. En la
carcasa se encuentran unas piezas llamadas bafles o deflectores que sujetan los
tubos en el interior y que se colocan de manera alternada para que el fluido que
circula entre la carcasa y los tubos no tome caminos preferenciales.
Existen diferentes sistemas de funcionamiento de este tipo de
cambiadores, como por ejemplo la posibilidad de que el fluido calefactor que
circula en el interior de los tubos pase más de una vez por la carcasa, es decir,
en una parte del cambiador circula en contracorriente con el fruido refrigerador y

41
Diseño preliminar
en otra en paralelo. Por tanto, los “pasos” es la cantidad de veces que el fluido
recorre la longitud del cambiador. El fluido que circula entre carcasa y tubos
también es posible que circule con más de un paso. Toda esta variedad a la hora
de diseñar se ha de tener en cuenta para optimizar el cambiador.
Los componentes de un cambiador de carcasa y tubos son los siguientes:
· Carcasa (Shell)
· Cubierta de la carcasa (Shell cover)
· Tubos (Tubes)
· Cabezal (Channel)
· Cubierta del cabezal (Channel cover)
· Haz de tubos (tubesheet)
· Deflectores (bafles)
· Boquilla de entrada fluidos (Nozzles)
A continuación, se muestra una figura con los diferentes tipos de
cambiadores de carcasa y tubos, además de los diferentes tipos de cabezales.
Figura 6.5. Tipos de carcasa y cabezales.

42
Diseño preliminar
Un factor importante de diseño de este tipo de cambiadores es la
distribución de los tubos a lo largo de la carcasa, ya que esto influye en la
transferencia de calor debido al ensuciamiento o fouling.
El fouling o ensuciamiento se produce por el depósito de suciedad que se
producen por la circulación de un fluido, creando una capa de que produce una
resistencia a la transferencia de calor. Según el tipo de fluido que circula por el
cambiador la resistencia producida por el fouling será mayor o menor, por lo que
la distribución de los tubos será una circunstancia a tener en cuenta en el diseño
de estos aparatos.
Figura 6.6. Distribución de tubos en cambiadores de carcasa y tubos.

43
Diseño preliminar
Tabla 6.1. Aplicaciones para las diferentes distribuciones de tubos.
Para el diseño de este tipo de cambiadores se utilizará el programa
mencionado antes, Aspen Exchanger Design & Rating.
Todos los cambiadores diseñados en esta planta serán de tipo carcasa y
tubos, sin embargo, presentan diseños diferentes debido a que las calderas
redireccionarán el vapor a la columna de nuevo y dando otra corriente de líquida
de salida del cambiador, corriente residuo. Por otro lado, los condensadores
totales condensan totalmente el vapor extraído de la cabeza de la columna
dando solo una corriente de salida en fase líquida.
6.2 BOMBAS DE REFLUJO
En el diseño real de una columna, el vapor que sale de la cabeza en la
zona de enriquecimiento se dirige al condensador, sin embargo, este cambiador
se encuentra situado al nivel del suelo.
Para que el reflujo vuelva a la cabeza, la corriente ha de subir a lo alto de
la columna de nuevo por lo que es necesario instalar una bomba. La bomba

44
Diseño preliminar
añadirá la necesaria energía mecánica para que la corriente llegue a la parte
superior de la columna (Orchillés & Sanchotello, 2007).
Por lo general, se prefiere siempre el uso de bombas centrífugas debido
a sus bajos costes y su gran capacidad. Son capaces de proporcionar un caudal
constante, además pueden trabajar con líquidos muy viscosos. Las bombas
centrífugas son siempre rotativas y transforman la energía mecánica de un
impulsor en energía cinética o de presión de un fluido incompresible.
Figura 6.7. Esquema interno de una bomba centrífuga.
El fluido entra por el centro del impulsor, que contiene unos álabes para
conducir el fluido, y por efecto de la fuerza centrífuga el fluido se impulsa hacia
el exterior.
En el diseño de la planta todas las bombas que se utilicen serán de tipo
centrífuga.
6.3 TANQUES DE ALMACENAMIENTO
En el diseño de la planta hemos de tener en cuenta que las corrientes del
diagrama de flujo son estacionarias, por lo que el funcionamiento del sistema es
continuo. Es esencial el diseño de tanques de almacenamiento para preservar y
almacenar la producción de etanol y para el funcionamiento de las columnas.

45
Diseño preliminar
Son estructuras por lo general cilíndricas fabricadas de diversos
materiales y su finalidad es el almacenamiento de líquidos o gases. Los tanques
de almacenamiento de líquidos se clasifican en horizontales o verticales de fondo
plano. Los horizontales, normalmente, tienen volúmenes inferiores debido a
fallos de corte y flexión. Los verticales permiten almacenar grandes cantidades,
pero a presión atmosférica. Los principales tipos de tanques de
almacenamientos verticales son de techo fijo, flotante o sin techo.
Los de techo fijo se utilizan para productos no volátiles y los de techo
flotante para productos con alto contenido en componentes volátiles. Este tipo
de techo se desarrolló para anular el espacio entre la superficie del líquido y el
techo. Por último, los tanques de almacenamiento sin techo se utilizan para
productos para que los que no importe la contaminación.
Figura 6.8. Imagen de un tanque de almacenamiento.
En el diseño de este proyecto se realiza el cálculo y diseño de cuatro
tanques de almacenamiento. Uno para la producción de etanol puro y tres
tanques de reflujo para el funcionamiento de las columnas de destilación.

46
Diseño preliminar
6.4DISEÑO DE COLUMNAS
La destilación o rectificación es una operación de separación de uno o
varios componentes de una mezcla liquida o gaseosa mediante la acción de un
vapor o líquido generado respectivamente por calefacción o enfriamiento de la
mezcla original. Esta operación se basa en la separación de los componentes de
una mezcla en función de sus diferentes volatilidades.
La volatilidad relativa de un componente A con respecto a otro B, se define
como el cociente entre volatilidades absolutas respectivas, siendo la volatilidad
absoluta de cada componente si se trata de una mezcla binaria:
𝛼 𝐴 = ɤ 𝐴 𝑝 𝐴
º
(Ecuación 6.1)
El parámetro ɤA es el coeficiente de actividad del componente A en la
mezcla y pºA la presión de vapor a la temperatura de la mezcla. Si se define como
ideal el comportamiento de la fase líquida, el valor de la volatilidad absoluta es
igual a la presión de vapor (Martínez de la Cuesta, 2004).
El valor de referencia para poder determinar el uso del proceso de
destilación como método de separación es la volatilidad relativa, αAB:
𝛼 𝐴𝐵 =
𝛼 𝐴
𝛼 𝐵
(Ecuación 6.2)
Con los resultados de este cociente se determina el grado de separación
de una mezcla de dos componentes (Holland, 1988). Si este valor resulta mucho
mayor que la unidad quiere decir que el vapor es mucho más rico en componente
A que el líquido, por lo que la mezcla es fácilmente separable por destilación. En
cambio, si este valor es igual a la unidad la mezcla es imposible de separar, en
este caso es donde se producen los azeótropos.
El más volátil de los componentes, es decir el que dispone de una
temperatura de ebullición menor se le denomina clave ligero y se recoge en la
corriente de destilado que surge por la cabeza de la columna. El menos volátil,

47
Diseño preliminar
clave pesado, se recogerá por la corriente de residuo que sale por la cola de la
columna.
Las columnas de destilación de múltiples etapas son grandes cilindros
verticales sobre cuyas superficies internas fluyen en contracorriente líquido y
vapor. Debido a su limitada superficie interfacial, la transferencia de masa entre
líquido y vapor es muy limitada. La forma de obtener una interfase grande es
multiplicar las etapas o pisos en las que se produce la transferencia de materia
a lo largo de la longitud de la columna.
La manera de aumentar la transferencia de materia es diseñar una
columna de pisos, en la que cada piso representa una etapa. Estos pisos son
superficies que se encuentran en el interior de la columna de manera transversal
donde se pone en contacto el líquido con el vapor y se lleva a cabo el equilibrio
entre las fases. Cuantas más fases o pisos la transferencia de materia
aumentará.
Los pisos tienen unos orificios por los que sube el vapor de manera
ascendente por la columna debido a la diferencia de presión que hay entre la
cabeza, parte superior, y la cola, parte inferior de la columna. Este vapor entra
en contacto con el líquido que se queda anegado en el piso donde se produce la
transferencia de materia entre fases. El líquido se desborda del piso y cae al piso
inferior por efecto de la gravedad.
Figura 6.9. Pisos de una columna de rectificación.

48
Diseño preliminar
Una columna de rectificación sencilla consta de una corriente de alimento
o de entrada a la columna que contiene la mezcla multicomponente, una
corriente de destilado que sale por la cabeza de la columna y una corriente de
residuo que sale por la cola.
A continuación, se muestra una figura que representa un proceso de
rectificación para la separación de una mezcla:
Figura 6.10. Esquema de una columna de destilación.
Se puede apreciar que se distinguen tres sectores o zonas diferentes en
una columna:
- Sector de enriquecimiento:
Todo este sector viene delimitado por la parte superior de la columna a
partir de la etapa o piso donde se introduce la corriente de alimentación.
El vapor sale por la cabeza de la columna y va directo a un condensador
donde se enfría y se condensa. Después se recoge en un acumulador o
tanque de reflujo, donde se almacena. Del tanque surge otra corriente que
se divide en dos, una corriente con el destilado que contiene una gran
pureza del componente más volátil, y otra que corriente denomina reflujo
que se bombea de nuevo a la cabeza de la columna. Esta corriente de
reflujo tiene como función optimizar el proceso de separación.
- Sector intermedio:

49
Diseño preliminar
Es la zona que viene limitada por la etapa donde se introduce la mezcla
multicomponente que se desea separar.
- Sector de agotamiento:
Este sector viene delimitado por la zona inferior en la que se introduce la
alimentación a la columna. El líquido rico en componente menos volátil
sale por la cola de la columna y se introduce en la caldera o hervidor. Esta
caldera funciona también como una etapa más del proceso. El líquido que
sale de la caldera es el residuo y el vapor que se produce en la caldera se
vuelve a introducir en la cola de la columna.
6.5 CONDICIONES LÍMITES DE OPERACIÓN
Para que la columna de rectificación funcione es necesario que una parte
de la corriente que sale por la cabeza de la columna vuelva a entrar. Esta
corriente de reflujo debe estar en fase líquida y ayuda a la separación de la
mezcla al arrastrar el componente más pesado, así el vapor que asciende se va
concentrado el componente más volátil. La relación de reflujo es el cociente entre
el caudal de reflujo, LD, y el caudal final de destilado, D.
𝑅 𝐷 = (
𝐿 𝐷
𝐷⁄ ) (Ecuación 6.3)
Este parámetro es uno de las más importantes a la hora de diseñar una
columna, ya que influye en el número de etapas y en el coste económico del
operador.
Para observar la influencia de este parámetro se planta en situaciones de
límite operacional:
- REFLUJO MÍNIMO
En esta condición de reflujo no vuelve a la columna la suficiente cantidad
de reflujo como para arrastrar el componente pesado, por lo tanto, las
corrientes que se cruzan entre etapas están en equilibrio y no se produce
transferencia de materia. Esto ocasiona un número infinito de pisos, ya
que la transferencia de materia en cada etapa será infinitesimal.

50
Diseño preliminar
- REFLUJO TOTAL
Este límite de operación se basa en que todo el vapor que sale por la
cabeza de la columna se condensa y vuelve a entrar. Esta columna no
tendría ningún fin práctico ya que no produciría ninguna corriente de
destilado y no se podría introducir ninguna corriente de alimento. Sin
embargo, esta situación determina el número mínimo de etapas de
equilibrio que se necesitan para obtener un grado de separación
determinado
6.6 RELACIÓN DE REFLUJO ÓPTIMA
Al aumentar la relación de reflujo el número de etapas disminuye, sin
embargo, al aumentarlo los costes de calefacción y refrigeración aumentan tal
como muestra la siguiente figura:
Figura 6.11. Relación de reflujo en función de los costes.
El coste total varía con la suma del inmovilizado y los costes de
calefacción y refrigeración, tal como se ve en la curva fgh. Esta curva tiene un
mínimo para una relación de reflujo definida. Este puto es el más económico y el
correspondiente reflujo recibe el nombre de relación de reflujo óptima.

51
Diseño planta
7. DISEÑO DE LA PLANTA
El objetivo principal a la hora de realizar el diseño de la planta de
producción de etanol es conocer la composición que tiene la corriente que
proviene de la fermentación previa y que se nos suministra a la planta, así como
el porcentaje de etanol que se debe producir.
El porcentaje de etanol que se suministra a la planta es del 5% (molar) y
el objetivo es purificar esta mezcla hasta conseguir un porcentaje de
concentración de etanol del 99,5% de pureza.
Alimentación Producción
% Etanol
5% 99,5%
Tabla 6.2. Variables de diseño de la planta.
Para que la producción de etanol sea rentable se necesita un caudal de
producción de etanol absoluto de 500 kg/h, por lo que se varía el caudal de etanol
de fermentación que se suministra a la planta de acuerdo a la producción
necesaria.
Esta variación de caudal se ajusta con el comando “adjust” que tiene
incorporado el programa de simulación HYSYS.
Una vez fijado que la planta industrial está formada por tres columnas de
destilación y que se conoce la concentración de alimentación y la de producción,
comenzamos con el diseño la primera columna.

52
Diseño planta
7.1 ELECCIÓN DEL MODELO DE ESTIMACIÓN DEL COEFICEINTE DE
ACTIVIDAD
Cuando diferentes componentes se encuentran en una mezcla líquida las
diferentes moléculas de los componentes interaccionan, provocando así un
desvío en el comportamiento de la idealidad en los líquidos.
Esta desviación de la idealidad en mezclas líquidas viene definida por los
coeficientes de actividad, por lo tanto, para calcular de un modo más exacto el
equilibrio entre fases se ha de calcular estos coeficientes.
Para calcularlos existen varios métodos de cálculo. La elección de este
método se basa en la miscibilidad de los componentes en la mezcla. Como se
ha comentado los componentes presentan miscibilidad total por lo que el modelo
a usar es el NRTL (Non-Random, Two Liquids). Este modelo considera que la
composición interna del líquido no es aleatoria, sino que las moléculas están
semi-agregadas.
El modelo de Wilson también habría sido de uso aceptable para la mezcla
a tratar, sin embargo, el modelo NRTL tiene en cuenta más variables y puede
ser usada cuando se presentan caso de mezclas parcialmente miscibles.
Por lo tanto, a la hora de seleccionar la opción “Fluid Package” en el
programa HYSYS, se elige el modelo NRTL.
En el caso del comportamiento de la fase vapor, como la presión de
trabajo del sistema es la atmosférica, apenas se producen desviaciones de la
idealidad. Entonces no hace faltar realizar los cálculos del coeficiente de
fugacidad, el parámetro que tiene en cuenta la desviación de la idealidad de las
fases vapor en una mezcla.
Al introducir el modelo NRTL en el programa de simulación, hay que
señalar, para nuestro sistema, que la fase vapor se comporta de manera ideal.

53
Diseño planta
7.2 DISEÑO COLUMNA DE CONCENTRACIÓN
La finalidad de la columna de concentración es purificar lo máximo posible
la corriente que suministra a la planta. Este paso previo se debe a la aparición
de un azeótropo en la mezcla etanol-agua, por lo que se purifica la mezcla hasta
una concentración próxima al azeótropo. La estimación de la concentración de
etanol en el destilado es de 85 %.
XD(etOH)=0,85
Los datos de la corriente de alimentación a la columna de concentración
(CC) son los siguientes:
Corriente de alimentación a la columna de concentración (CC)
Temperatura 76,82 ºC
Presión 100 kPa
x etanol 0,05 molar
x agua 0,95 molar
Tabla 7.1. Datos de alimentación CC.
El valor base de cálculo para el caudal de entrada es de 100 m3/h, con el
operador “adjust” se regulará este valor para resultar el caudal de producción
deseado. Adelantado el proceso de ajuste para que se obtengan 500 kg/h de
etanol puro en la planta, el caudal de entrada a la columna de concentración es
el siguiente:
Caudal alimento CC (kg/h) 4257
Se realiza el cálculo del diseño de la columna con HYSYS, por lo tanto se
introduce el operador de columna en el diagrama de flujo y se define la corriente
de entrada a la CC con los datos de la tabla anterior. Para empezar el diseño el
programa exige la elección del tipo de columna, para este caso y los posteriores,

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Diseño planta
la elección es de columnas con condensador total y caldera. Se debe introducir
también la caída de presión entre la cola y la cabeza de la columna. Por lo
general, para este valor, se suele tomar como base una caída de 10 kPa.
También hay que definir el nombre de las corrientes de salida y de las corrientes
de energía. Estas corrientes de energía, HYSYS las define de color rojo y se
sustenta en la energía aplicada o necesaria para el operador utilizado, en este
caso, el condensador y la caldera.
Las columnas de destilación poseen dos grados de libertad, es decir,
debemos introducir el valor de dos variables para definir el balance de materia
en la columna. Una de las variables importantes para definir la columna es la
razón de reflujo, pero no este caso no se fijará el valor de este parámetro, sino
que se utilizará para optimizar la columna más tarde. Para esta columna las
variables a fijar son la concentración de etanol en el destilado y la recuperación
de etanol en la corriente de destilado. Ésta última variable es el porcentaje de
etanol que se recupera de la corriente de alimentación a la CC y se recupera en
la corriente de salida de destilado.
𝑅𝑒𝑐𝑢𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑡𝑂𝐻 = 1 − (
𝑥 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜
𝑥 𝐷𝑒𝑠𝑡𝑖𝑙𝑎𝑑𝑜
) (Ecuación 7.1)
Para que el residuo de la columna sea prácticamente toda agua y no se
deseche nada de etanol por la cola esta variable debe ser un valor aproximado
a la unidad. Por lo tanto, las variables de diseño son las siguientes:
Variables de diseño
xD(etOH) 0,8500
Recuperación(etOH) 0,9900
Tabla 7.2 Variables diseño CC.
Para que la columna funcione y resuelva los datos, se abre la venta de
opciones de la columna, en la pestaña “Design” se hace click en la opción
monitor. Aparecerá la siguiente ventana:

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Diseño planta
Figura 7.1. Diseño columna HYSYS.
Se añaden en especificaciones las variables de diseño que se desean y
en la columna de “Active” se marcan para que se tengan en cuenta éstas para el
diseño. En la parte inferior se aprieta el botón “RUN” para que comience el
cálculo de la columna y cuando los resultados finalicen la pestaña roja donde
aparece “Unconverged” se volverá de color verde y mostrará la palabra
“Converged”. Esto quiere decir que el método numérico que utiliza HYSYS ha
convergido en un resultado.
Los valores que HYSYS da como resultado del diseño de la columna son
los siguientes:
Resultados de la columna de concentración
Razón de reflujo 2,7580
XD(etOH) 0,8500
Recuperación(etOH) 0,9900
Tabla 7.3. Resultados CC.

56
Diseño planta
La columna ha sido optimizada hasta generar un valor de razón de reflujo
aceptable para los costes, además del número de platos que componen la
columna. El resultado de la optimización han sido 24 pisos o etapas sin contar la
caldera. La entrada de la corriente alimentación se introduce en la etapa 20,
siendo la etapa 1 el primer piso empezando por la cabeza de la columna. Esta
decisión se debe a que la temperatura de entrada de la corriente de alimentación
es de 76.82ºC, una temperatura alta y cercana al punto de ebullición de etanol,
que es 78,4ºC a presión atmosférica. Por lo tanto, teniendo en cuenta las
variables de diseño y el control de una razón de reflujo que sea aceptable, la
entrada de alimento que optimiza la columna es por la parte baja de la columna,
en concreto la etapa 20.
Figura 7.2 Número de etapas HYSYS.
Los resultados de las diferentes corrientes que trabajan en esta columna
de concentración se representan en la tabla 7.4:

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Diseño planta
COLUMNA DE CONCENTRACIÓN
Corriente Alimentación Destilado Residuo Reflujo
Caudal (kmol/h) 219,30 12,77 206,50 35,21
Presión (kPa) 100,00 101,30 110,00 101,30
Temperatura (ºC) 76,82 78,14 102,20 78,14
x etanol (molar) 0,0500 0,8500 0,0005 0,8500
x agua (molar) 0,9500 0,1500 0,9995 0,1500
Tabla 7.4. Datos de las corrientes CC.
Para el diseño de las etapas tenemos que definir si se desea una columna
de platos o de relleno, ya que esta elección definirá las dimensiones de la
columna. Como la presión de trabajo en las columnas a diseñar son
prácticamente la atmosférica y cabe suponer que los diámetros de la columna
no serán de una anchura muy grande, se ha decidido diseñar las columnas de
rectificación como columnas de relleno.
7.3 DISEÑO DE UNA COLUMNA DE RELLENO
Con menor frecuencia a las columnas de pisos, también se utiliza para la
rectificación las columnas de relleno. Su utilización va aumentando con el estudio
y el creciente manufacturado de los rellenos.
Los rellenos son recomendables sobre todo si se necesita una caída de
presión baja a lo largo de la columna. Por lo tanto, su uso se recomienda para
operaciones a baja presión, para altas relaciones entren el caudal de líquido y
del gas. También se utiliza en sistemas corrosivos y en sistemas donde se
forman fácilmente espumas.
Las columnas de relleno no se recomiendan para velocidades de líquido
baja ni cuando hay alimentos y extracciones múltiples en la columna. No son
adecuadas para sistemas con sólidos ni sistemas donde se produzca reacciones
de polimerización.
Básicamente las columnas de relleno consisten en un cilindro vertical en
cuyo interior se aloja adecuadamente o de manera aleatoria el relleno cuya

58
Diseño planta
finalidad es la misma que los platos, es decir, favorecer la transferencia de
materia entre la fase líquida y vapor a lo largo de la columna.
Figura 7.3 Esquema de una columna de relleno.
El relleno se distribuye en el interior de la columna lo que conlleva que el
líquido descienda en forma de lámina sobre las piezas y el gas ascienda en
contracorriente por los espacios huecos entre las piezas de relleno. De esta
manera se consigue una elevada superficie interfacial por unidad de volumen lo
que favorece la transferencia de materia.
El relleno en la columna puede colocarse de manera desordena y
distribuida por la columna o de manera ordenada, lo que favorece que las
pérdidas de carga al paso del gas sean menores.
Además, existen rellenos estructurados que tienen una forma de esponja
y se ajustan a la forma cilíndrica de la columna, por lo que se fabrican a medida.
Tienen una elevada eficacia, lo que disminuye notablemente la altura de las
columnas y las pérdidas de carga, por lo que son ideales para trabajar a
presiones bajas.

59
Diseño planta
7.3.1 ELECCIÓN DE RELLENO
Para la elección del relleno se tiene en cuenta la presión a la que trabajará
el sistema, el tipo de mezcla y los costes. Dado que la presión de trabajo en las
tres columnas a diseñar es en la práctica la presión atmosférica, por lo que es
una presión de diseño baja, el relleno favorecerá una pérdida de carga muy baja.
Cuando los diámetros de las columnas son altos, la mejor elección son los
platos, debido a que mejoran la transferencia de masa entre fases por su amplia
superficie. Sin embargo, se ha de suponer que las columnas que se están
diseñando los diámetros serán relativamente bajos por lo que la elección de una
torre de relleno abaratará los costes. En concreto la experiencia delimita que
para columnas con diámetros inferiores a un pie, la elección adecuada es la de
empaquetamiento con relleno.
A la hora de elegir el tipo de relleno, entre ordenado, desordenado y
estructurado; la elección óptima es el relleno desordenado. Este relleno es más
barato y más fácil de instalar que los otros dos anteriores, además el sistema no
necesita operar a presiones muy pequeñas por lo que las pérdidas de carga
serán menores.
El relleno elegido es el Norton Intalox Metal Tower Packing Random. Se
puede apreciar el aspecto de esta pieza en la figura siguiente:
Figura 7.4. Piezas de relleno NORTON Intalox Metal, tipo silla de montar.
Estas piezas de relleno las distribuye la empresa KOCH-GLITSCH, junto
a información muy detallada del uso de este tipo de relleno para columnas.

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Diseño planta
Están hechas de metal y es posible la elección del tipo de metal del que
deseamos el relleno. En un sistema de destilación con relleno se atenderá a la
relación del parámetro AEPT ya que definirá el diseño de la columna.
En el catálogo que se nos ofrece, se puede elegir el tamaño de las
piezas de relleno IMTP (Intalox Metal Tower Packing):
Figura 7.5. Características de los diferentes tipos de tamaño de las piezas de relleno
Norton IMTP.
Se detalla también la relación entre la AEPT y la correlación de
capacidad para cada tamaño:
Figura 7.6. Diagrama relleno Intalox AEPT en función de la velocidad del gas.

61
Diseño planta
El programa de simulación HYSYS permite también diseñar los
parámetros de diseño de la columna. En el apartado “Equip Design” se elige la
opción “Tray Sizing”. Es este operador del programa se puede diseñar las
especificaciones de la columna ya sea de platos o de relleno.
Al abrir la ventana, en la opción “Select TS” se selecciona la columna a
diseñar, así como las zonas diferenciadas de la columna, y en “setup selections”
se define el tipo de superficie entre fases. Es éste caso la elección es la de
relleno, “Packed”. En el apartado “Spec” de la pestaña “Design” se puede elegir
el tipo de relleno que se desea y el programa calculará los parámetros de diseño
de la columna. Para todas las columnas a diseñar la elección es la antes
mencionada, “Norton IMTP Random”, este tipo de relleno se encuentra en la
biblioteca de datos de HYSYS, lo que presenta una ventaja a la hora de realizar
el diseño.
Figura 7.7 Diseño relleno HYSYS.
En la pestaña “performance” se puede obtener todos los datos calculados,
como el parámetro AEPT, altura de la columna, diámetro y pérdida de carga.

62
Diseño planta
El método de cálculo se basa en la relación de diferentes variables que se
extraen de graficas proporcionadas por los fabricantes de relleno.
Como primer paso se distingue la columna en una zona de
enriquecimiento y otra de agotamiento. Los cálculos serán diferenciados para
cada zona, debido a que el caudal de vapor que recorre cada zona es diferente,
y por lo tanto proporciona resultados diferentes.
Se define el parámetro de flujo X de la siguiente manera, siendo L el
caudal de líquido que desciende y G el caudal de vapor que asciende:
𝑋 =
𝐿
𝐺 √
𝜌 𝐺𝑎𝑠
𝜌 𝐿í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜
(Ecuación 7.2)
Otro parámetro que se define es Y. de la siguiente manera:
𝑌 = 𝐹 · 𝑐𝑠
2
· 𝜈2
(Ecuación 7.3)
En la expresión anterior ν e la viscosidad cinemática y F es el factor de
empaquetado que depende del tamaño de las piezas de relleno y que
proporciona el fabricante, como, por ejemplo:
Tabla 7.5. Valores del factor de empaquetado.
El parámetro cs es el factor de capacidad expresado en m/s que se calcula
con la siguiente fórmula, siendo V la velocidad superficial del líquido (m/s):
𝑐𝑠 = 𝑉√
𝜌 𝐺𝑎𝑠
𝜌 𝐿í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜−𝜌 𝐺𝑎𝑠
(Ecuación 7.4)

63
Diseño planta
Estos parámetros y variables dependen de la densidad, viscosidad y
tensión superficial de los componentes de la mezcla.
Definidos los parámetros X e Y, los fabricantes proporcionan unas gráficas
donde se representan estos parámetros en función de la caída de presión que
produce el relleno. Éstas son las gráficas de Eckert que permiten el diseño de
las columnas de relleno a partir de la caída de presión.
Figura 7.8. Gráfica de Eckert para el relleno Norton IMTP.
Para un valor de X y de caída presión determinados se obtiene de la
abscisa el valor de Y. Con este valor se calcula cs, lo que permite calcular la
velocidad superficial del gas y así obtener el área de sección de la columna.
𝑉 =
𝐺
𝜌 𝐺𝑎𝑠·𝐴
(Ecuación 7.5)
Para el diseño de columnas de relleno la experiencia dictamina ciertos
valores comunes y recomendados, como es la caída de presión del relleno. Para
valores superior de 1,5 pulgadas de agua por pie, como caída de presión por

64
Diseño planta
longitud de relleno, se produce un anegamiento de la columna. El anegamiento
es la inundación de la columna debido a que el líquido es incapaz de descender
por los orificios de las piezas de relleno. Esta inundación provoca caídas
drásticas en la eficacia del funcionamiento de las columnas, así como problemas
de seguridad debido a que el anegamiento puede propiciar escapes de los fluidos
de la columna. El máximo porcentaje de anegamiento que puede soportar una
columna es aproximadamente del 80%, por lo que se debe trabajar con
porcentajes de anegamiento que sean inferiores a este valor. La caída de presión
máxima que se utiliza para el diseño de las columnas de relleno es de 0,5
pulgadas de agua por pie (in H2O/ft), así proporciona las condiciones óptimas
del funcionamiento de la columna.
EL cálculo de los datos para el diseño de las diferentes columnas de
relleno lo realizaremos con el método que ofrece HYSYS de diseño de etapas
(“Tray Sizing”).
7.3.2 DISEÑO DEL EMPAQUETADO DE LA COLUMNA DE
CONCENTRACIÓN
En el proceso anterior se han calculado las etapas necesarias para el
correcto funcionamiento de la columna de concentración, por lo tanto, las etapas
necesarias para obtener un destilado con un 85% molar de etanol son 24.
En cada una de estas etapas se lleva a cabo el equilibrio entre fases del
líquido y del vapor, y se produce la transferencia de materia. En las columnas de
platos cada etapa equivale, sin tener en cuenta la eficacia real del proceso, a un
plato o piso.
Sin embargo, en las columnas de relleno no se distingue entre pisos ya
que el empacado es uniforme en las diferentes zonas de enriquecimiento y
agotamiento, o las procedentes. Para saber la cantidad de relleno necesario para
cubrir dichas etapas se introduce el concepto AEPT, que significa altura
equivalente al piso teórico. Este valor proporciona, con un diámetro definido, la
altura correspondiente de relleno para cada etapa de la columna.

65
Diseño planta
𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑟𝑒𝑙𝑙𝑒𝑛𝑜 = 𝐴𝐸𝑃𝑇 · (𝑁º𝑒𝑡𝑎𝑝𝑎𝑠) (Ecuación 7.6)
En el cálculo de la altura de relleno no se tiene en cuenta la caldera como
etapa
Como se ha mencionado previamente se utiliza la opción “Tray Sizing” de
HYSYS e introducimos la columna a diseñar, en este caso la de concentración.
El alimento se introduce en la etapa 20 de la columna por lo que se
diferencia dos secciones. Una de enriquecimiento entre la etapa 1 hasta la 19 y
otra de agotamiento entre la etapa 20 y la 24.
Como variables máximas de diseño se utiliza el máximo porcentaje de
anegamiento, 80%, la máxima caída de presión permitida que es 1 pulgada de
agua por pie. Por supuesto se elige el diseño de empaquetado con piezas Norton
IMTP nº15.
Figura 7.9. Resultados empaquetamiento HYSYS.

66
Diseño planta
Los datos de los resultados ofrecidos por HYSYS con los siguientes:
RELLENO COLUMNA DE CONCENTRACIÓN
Sección 1 Sección 2
Rango de etapas 1-19 20-24
Diámetro (m) 0,6096 0,6096
Área (m2) 0,2919 0,2919
Altura (m) 6,3050 2,1550
Anegamiento (%) 58,79 56,98
Caída presión (kPa) 2,2400 0,5216
ΔP por longitud (kPa/m) 0,3552 0,2421
Velocidad gas (m/s) 2,1310 2,8980
AEPT (m) 0,3318 0,4310
Altura total relleno (m) 8,4600
Tabla 7.6 Resultados relleno CC.
La altura necesaria de relleno es la suma de la altura de relleno de las
diferentes secciones. En la tabla anterior también se observa el diámetro
diseñado para la columna de concentración.
La altura total de la columna es la altura del relleno más la suma de un
metro. Este metro de más es por la consideración del equipo real, es decir, se
considera para las piezas necesarias del funcionamiento de una columna como
lo distribuidores del líquido, las bases de soporte del relleno y distribuidores de
vapor, así como las piezas de cabeza y cola. Las diferentes partes a considerar
se pueden apreciar en la siguiente figura:

67
Diseño planta
Figura 7.10 Esquema de una columna de destilación con relleno.
Con todos estos valores ya se cuentan con los datos necesarios para el
funcionamiento y diseño de la primera torre, la columna de concentración.
7.4 DISEÑO CALDERA COLUMNA DE CONCENTRACIÓN
Para realizar la separación en las columnas de destilación, la mezcla de
alimentación se caliente hasta generar el vapor rico en componente más volátil.
Este vapor se genera en una caldera en el exterior de la columna y se recircula
al interior de la columna por la parte inferior. Este vapor va ascendiendo a lo largo
de la columna para generar la transferencia de materia entre vapor y líquido.
Para generar este vapor se toma la corriente líquida que sale por la parte
inferior de la columna y se introduce en el cambiador de calor. Se genera
entonces un vapor saturado que se recircula a la columna rico en componente
volátil y otra corriente líquida, residuo, rica en componente menos volátil.

68
Diseño planta
El tipo de cambiador de calor es de tipo caldera o hervidor (kettle). Se trata
de un cambiador de carcasa y tubos por el cual circula en el interior de los tubos
vapor de agua sobrecalentado que calentara la corriente que proviene de la
columna y circula entre la carcasa y los tubos. Esta caldera actúa como una
etapa más de la columna, ya que se produce un equilibrio de fases entre el vapor
saturado generado y la fase líquida.
El vapor de agua de entrada al cambiador que se utiliza como fluido
calefactor se supone que debe proceder de un evaporador de agua previo, sin
embargo, por motivos de simplificación de los operadores, este vapor se da como
entrada al sistema, para finalmente tener en consideración solo los costes de la
corriente de este vapor, así como el vapor necesario de las restantes calderas.
Los datos de la corriente entrante al cambiador se extraen de los cálculos
realizados en HYSYS para la columna de concentración:
Entrada CALDERA CC
P 110 kPa
T 101,8 ºC
Facción de vapor 0 %
Caudal 4740 kg/h
x(etOh) 0,0017 (molar)
x(agua) 0,9983 (molar)
Tabla 7.7. Corriente alimentación Caldera CC.
A la hora de diseñar la caldera con el simulador se introducen estos datos
en la pestaña “Process Data”. El programa requiere también los datos de la
corriente del fluido calefactor. Como fluido que calienta se usa vapor de agua
sobrecalentado y se irá variando el caudal para optimizar el cambiador.
Se debe introducir los datos relacionados con el ensuciamiento o fouling.
El fouling o ensuciamiento se produce en sistemas reales debido a depósitos
producidos por los fluidos que circulan por los cambiadores. Esta suciedad se
trata como una resistencia más a la transferencia de calor entre fluidos. De la
bibliografía se extrae el valor de los coeficientes de fouling para este proceso en
particular:

69
Diseño planta
Coeficiente de fouling
Agua 0,0002 (m2
K/W)
La variable de diseño de la caldera es la fracción de vapor. Esta fracción
de vapor representa también el caudal de vapor que se redirecciona a la columna
y es el cociente entre el vapor generado y el caudal de líquido que entra a la
columna.
𝐹𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 =
𝑉𝑚
𝐿𝑚
=
1003
4740
= 0.213 (Ecuación 7.7)
Por tanto, se toma como variable de diseño la fracción de vapor, 21,3%.
Al terminar la entrada de datos al sistema y finalizados los cálculos, el
programa nos da una serie de resultados que pueden ser optimizados
cambiando los pasos por tubos o carcasa de los fluidos, la distribución de los
tubos o la cantidad de deflectores. Éstos son los parámetros que se han ido
variando para optimizar los valores de diseño de la caldera. Como resultado del
diseño se obtienen los siguientes datos:
Circulación Exterior tubos Interior tubos
Corriente Lm Vm Residuo
Vapor
agua
calefacción
Salida
agua
calefacción
Temperatura
(ºC)
101,8 100,46 100,46 110 102,98
Presión (kPa) 110 104,15 104,5 143,25 140,06
Caudal (kg/h) 4740 1003 3736 984 984
Fase (V/L) L V L V L
Tabla 7.8. Corrientes de entrada y salida de la Caldera CC.

70
Diseño planta
Los datos para el diseño de la caldera son los siguientes:
Área U Q
(m2) (W/m2k) (kW)
65,9 1143,7 617,1
Tabla 7.9. Resultados diseño Caldera CC.
A continuación, se puede apreciar el diseño del cambiador diseñado para
la caldera de la columna de concentración y una tabla con las dimensiones del
mismo:
Figua 7.11. Esquema Caldera CC.
CALDERA COLUMNA DE CONCENTRACIÓN
Nº
carcasas
Pasos por
carcasa
Nº tubos
Pasos por
tubos
1 1 166 2
Diámetro
interior
carcasa
Diámetro
exterior
carcasa
Diámetro
interior
tubos
Diámetro
interior
tunos
(mm) (mm) (mm) (mm)
590,55 609,60 30,00 25,78
Tabla 7.10. Diseño carcasa y tubos Caldera CC.
Esta caldera trata de una carcasa en la que por interior de los tubos circula
el vapor de agua, que es el fluido calefactor, y la mezcla etanol-agua por el

71
Diseño planta
espacio entre la carcasa y los tubos. Hay dos pasos por tubos y éstos están
distribuidos de manera triangular por la carcasa. El material del que está hechos
la carcasa y los tubos es acero.
7.4 DISEÑO DEL CONDENSADOR DE LA COLUMNA DE
CONCENTRACIÓN
Para el diseño del condensador de la columna se utiliza también el
programa de simulación de cambiadores.
Este cambiador trata de un condensador total en el que entra la corriente
de salida de la cabeza de columna en fase vapor y se condensa totalmente
dando una corriente exclusiva totalmente en estado líquido. A diferencia de éste
el diseño de la caldera daba como resultado una corriente en fase vapor que
volvía a la columna y otra corriente en fase líquida dada como residuo.
El vapor, enriquecido en etanol, que sale de la parte superior de la
columna entra al cambiador por el interior de los tubos. Se ha de enfriar esta
corriente por lo que se refrigerará con agua líquida a temperatura ambiente que
circulará entre la carcasa y los tubos.
Los datos para la corriente de entrada al condensador son los siguientes:
Entrada CONDENSADOR CC
P 101,3 kPa
T 78,16 ºC
Facción de vapor 1 %
Caudal 2011 kg/h
x(etOh) 0,85 (molar)
x(agua) 0,15 (molar)
Tabla 7.11. Corriente alimentación Condensador CC.
Para este cambiador la elección del tipo de carcasa y tubos con tubos
integrados y haces no intercambiables (nonremovable bundle) y la variable de

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