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PRESENTACIÓN
- 1. Trabajo Fin de Grado Purificaciónde glicerina producida en la fabricación de biodiesel. Diseño de la columna de destilación para la preparación inicial de la glicerina. Autor: Laura García Oroso Tutor: Alicia Font Escamilla GRADO EN INGENIERÍA QUÍMICA Septiembre 2015
- 2. Objeto Columna de destilaciónque elimine los restos de metanol y parte del agua CONCENTRAR GLICERINA Modelo Termodinámico sugerido: NRTL - Estado: Líquido a 2 bar y Tb - Caudal: 15000 kg/h - Composición másica: metanol=0.017 glicerina=0.467 agua=0.516 Alimento 99.95% del metanol inicial 20% en peso de agua 2 bar 2 Purificación de glicerina producida en la fabricación de biodiesel.
- 3. Alcance y Antecedentes Biodiesel -Biodegradable - No tóxico - Emisiones bajas de gases contaminantes - Características físico-químicas similares al diésel mineral Posibles mezclas para vehículos sin introducir modificaciones REAL DECRETO 61/2006, 31 Enero Producto beneficioso para medio ambiente Sustituto del gasóleo mineral Enormes progresos en la producción y el empleo de los ésteres CRECIMIENTO EXPONENCIAL DEL BIODIESEL Gran producción de coproducto: GLICERINA CRUDA (10%) Aplicaciones: - Detergentes - Productos farmacéuticos - Cosméticos - Explosivos - Alimentación - … PURIFICACIÓN DE GLICERINA Destilación Filtración Adición de productos químicos Intercambio iónico 3 Purificación de glicerina producida en la fabricación de biodiesel. http://www.madrimasd.org/blogs/energiasalternativas/2006/06/29/33193 http://www.scielo.org.co/pdf/inun/v14n1/v14n1a01.pdf http://www.oepm.es/pdf/ES/0000/000/02/37/89/ES-2378931_B1.pdf
- 4. Justificación modelo termodinámico 4 Purificaciónde glicerina producida en la fabricación de biodiesel. Datos de equilibrio experimentales - Sistema ternario: 1. agua y glicerina 2. metanol y agua Modelo Termodinámico sugerido: NRTL Compuestos orgánicos polares Ningún gas ligero Coeficientes de interacción binarios disponibles Datos de equilibrio calculados con NRTL - Parámetros de los diferentes pares del sistema terciario Bij (K) Bji (K) α agua-glicerina 258.114 -274.348 1.0106 agua-metanol 307.166 -24.4933 0.3001 glicerina-metanol -272.385 712.388 0.3013 0 50 100 150 200 250 300 350 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Temperatura(ºC) x1/y1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 y1 x1 0 20 40 60 80 100 120 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Temperatura(ºC) x1/y1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 y1 x1 1. 2. ‘Journal of Chemical Engineerin Data’ de Chen y col. (1970) y ‘Vapour- Liquid Equilibria Data’ de Kojima y col. (1968) recopilados en DECHEMA
- 5. Justificación presión deoperación 5 2.08 psia -Condensador total -Agua como refrigerante - PD = 30 psia ≈ 2 bar Pcaldera=Pcond+∆P 7 psia 151.69ºC -Tcrítica=529.2ºC -Tdescomposicón glicerina=250ºC ORGANIGRAMA DE SEADER Y HENLEY Purificación de glicerina producida en la fabricación de biodiesel. ‘Separation Process Principles’ de Seader y Henley (2006)
- 6. Componentes clave LIGERO Agua Metanol Metanol PESADO -Glicerina - Glicerina - Agua 6 (Separación) (Shorcut) (Shorcut: Especificaciones del enunciado) Concentración del componente pesado en el destilado no puede superar el 50% Volatilidad de la glicerina muy pequeña, por tanto eficacia negativa Purificación de glicerina producida en la fabricación de biodiesel.
- 7. Selección columna óptima Simulacióndel proceso 7 SHORCUT (método FUG) SCDS (Diferentes número de etapas relativamente bajas) Problemas de convergencia La columna no cumple exactamente las especificaciones del enunciado propuesto pero son tan próximas que se darán por válidas Purificación de glicerina producida en la fabricación de biodiesel.
- 8. Selección columna óptima Simulacióndel proceso 8 RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN RIGUROSA (SCDS) N (teóricos) R Qcond (MJ/h) Qreb (MJ/h) L (kg/h) V (kg/h) L' (kg/h) V' (kg/h) ρL (kg/m3) ρV (kg/m3) μL (mPa·s) σ (N/m) 20 0.9979 -27133 27553 6229.910 12472.930 21229.910 12472.930 983.293 1.120 0.273 0.054 18 0.9389 -26332 26751 5861.571 12104.591 20861.571 12104.591 983.293 1.120 0.273 0.054 16 1.0099 -27296 27716 6304.826 12547.846 21304.826 12547.846 983.293 1.120 0.273 0.054 14 0.9973 -27125 27545 6226.164 12469.184 21226.164 12469.184 983.293 1.120 0.273 0.054 12 0.9682 -26730 27149 6044.492 12287.512 21044.492 12287.512 983.293 1.120 0.273 0.054 10 0.9751 -26824 27243 6087.569 12330.589 21087.569 12330.589 983.293 1.120 0.273 0.054 8 0.9965 -27114 27533 6221.169 12464.189 21221.169 12464.189 983.293 1.120 0.273 0.054 6 0.9976 -27114 27533 6228.037 12471.057 21228.037 12471.057 983.293 1.120 0.273 0.054 4 1.0100 -28416 28835 6305.450 12548.470 21305.450 12548.470 983.293 1.120 0.273 0.054 Purificación de glicerina producida en la fabricación de biodiesel.
- 9. Selección columna óptima Cálculodel diámetro, altura, eficiencia y áreas de intercambio de calor 9 N (teóricos) Diámetro enriquecimiento (m) Diámetro agotamiento (m) N (reales) H (m) A reb (m2) A cond (m2) 20 1.41 1.39 43 20.70 374.49 119.59 18 1.39 1.37 38 18.45 363.60 116.06 16 1.41 1.40 34 16.65 376.70 120.31 14 1.41 1.39 29 14.40 374.38 119.56 12 1.40 1.38 24 12.15 369.01 117.86 10 1.40 1.38 19 9.90 370.28 118.23 8 1.41 1.39 15 8.10 374.23 119.51 6 1.41 1.39 10 5.85 374.23 119.51 4 1.41 1.40 5 3.60 391.92 125.25 0.45 m espaciado entre pisos 80 % inundación 12 % área downcomer Purificación de glicerina producida en la fabricación de biodiesel. Diámetro Eficiencia: 42.38% 0.45 m espaciado entre pisos Altura Áreas de intercambio de calor ‘ Diseño en Ingeniería Química’ de R.Sinnot y G.Towler (20012) ‘Analysis Synthesis and Design of Chemical Processes’ de R.Turton y col. (2013) Material de construcción de la columna: Acero inoxidable
- 10. Selección columna óptima Análisisde costes 10 Purificación de glicerina producida en la fabricación de biodiesel. COSTE INMOVIBILIZADO Capacidad o tamaño de cada equipo + Constantes características → (Cp o ) Precio de compra del equipo básico de referencia (acero al carbón, 1 atm) Todos excepto platos → CBM Módulo del coste básico = Cp o · FBM Factor de correción:material construcción FM y presión de operación (FP) Platos → CBM Módulo del coste básico = Cp o · N · 𝐹𝐵𝑀 · (𝐹𝑞) Factor de cantidad (depende de N) CBM se actualiza a 2014 CBM se corrige para tener en cuenta contingencias, tasas, … = 𝐶 𝑇𝑀 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 CGR = CTM se corrige con otro coeficiente de los costes asociados al desarrollo de la planta, edificios auxiliares, . . pero afecta al (CBM o ) Coste de equipo básico:FM y FP =1 $ → € → € 𝑎ñ𝑜 (con 12% de interés y 10 años de amortización) ‘Analysis Synthesis and Design of Chemical Processes’ de R.Turton y col. (2013) COSTE DE OPERACIÓN CS,U = 𝐶𝑠,𝑓 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑔𝑎𝑠 𝑛𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑙: 20.9 € 𝑘𝐽 , 𝑎 𝑐𝑢𝑎𝑑𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑦 𝑏 (𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎) $ → € → € 𝑎ñ𝑜 (con 12% de interés y 10 años de amortización) ‘How to estimate utility costs’ de G.D. Ulrich y P.T. Vasudevan de Chemical Engineering (Abril 2006) http://ec.europa.eu/eurostat/help/new-eurostat-website
- 11. Selección columna óptima Análisisde costes 11 Purificación de glicerina producida en la fabricación de biodiesel. BALANCE GLOBAL 0 2000000 4000000 6000000 8000000 10000000 12000000 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 coste(€/año) Número etapas reales costes fijos costes de operación costes totales
- 12. Selección columna óptima Seleccióntipo de columna y perfiles columna óptima 12 Purificación de glicerina producida en la fabricación de biodiesel. ‘Destillation Design’ de H.K. Kister (1992) Columnas de platos: - Diámetros mayores a 0.91 m - Aptas para casos extremos o difíciles y sobretodo mejores para posibles variaciones en el sistema 1 3 5 7 9 11 13 15 17 110 115 120 125 130 135 140 145 150 Númerodeetapas Temperatura (ºC) 1 3 5 7 9 11 13 15 17 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Númerodeetapas Fracción másica Agua Metanol Glicerina 1 3 5 7 9 11 13 15 17 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Númerodeetapas Fracción másica Agua Metanol Glicerina N Líquido (kg/h) Vapor (kg/h) 1 6155.37 - 2 6074.72 12382.78 3 6068.44 12302.13 4 6067.96 12295.85 5 6067.89 12295.37 6 6067.90 12295.29 7 6067.88 12295.30 8 6034.09 12295.29 9 20953.82 12261.50 10 20942.10 12181.23 11 20940.09 12169.50 12 20939.73 12167.50 13 20939.68 12167.14 14 20939.66 12167.08 15 20939.66 12167.07 16 20938.94 12167.07 17 20759.32 12166.35 18 - 11986.73 PERFILES
- 13. Diseño hidráulico delos platos 13 Purificación de glicerina producida en la fabricación de biodiesel. Simulación rigurosa de la columna óptima Datos de partida Cálculo diámetros Selección tipo de plato Plato flujo simple o flujo cruzado Espaciado entre pisos (m) 0.45 Inundación (%) 80 Porcentaje de área Downcomer (%) 12 Porcentaje de área perforada (%) 10 hw (mm) 50 dh (mm) 5 Grosor de platos (mm) 5 Altura de la salida del downcomer (mm) 10 Zonas de calma y no perforadas (mm) 50 Valores y suposiciones de partida Columna de un solo diámetro de 1.5 m ‘ Diseño en Ingeniería Química’ de R.Sinnot y G.Towler (20012)
- 14. Diseño hidráulico delos platos 14 Purificación de glicerina producida en la fabricación de biodiesel. Cálculo de las medidas características del plato y el rebosadero COMPROBACIONES - GOTEO: la velocidad mínima de vapor real > la velocidad mínima. - INUNDACIÓN Y ARRASTRE: con el factor de inundación obtengo la fracción de inundación < 0.1 - DISEÑO DOWNCOMER: con la pérdida de carga en este se calcula la altura del líquido acumulada < la mitad de la suma entre el espaciado y la altura del rebosadero. El tiempo de residencia > 3 s. Escala: 1:20 Cotas en: mm ‘ Diseño en Ingeniería Química’ de R.Sinnot y G.Towler (20012)
- 15. Diseño mecánico 15 Purificación deglicerina producida en la fabricación de biodiesel. Peso carcasa (kN) 58.05 Peso de los platos más líquido retenido (kN) 86.94 Peso de la columna rellena de líquido (kN) 403.00 Peso del aislante (kN) 5.74 Peso del recubrimiento (kN) 9.45 Peso de las plataformas (kN) 39.18 Peso de las escaleras (kN) 2.70 Presión de diseño Recipiente de paredes finas Temperatura máxima Para cálculos aumentando 10% Cálculo espesor columna pero existe espesor mínimo: 7 mm (incluido el sobreespesor corrosión) +Aislante: Fibra mineral de sílice (75 mm espesor) +Recubrimiento: Aluminio con aleación de cobre (2 mm espesor) Peso total: 518.13 kN Análisis de esfuerzos: tensiones debidas a presión interna, viento y peso de la columna Máx. diferencia entre esfuerzos principales: Lado al favor del viento (51 MPa) < Esfuerzo máx. Cabezal estándar torisférico (espesor 0.6 mm sin sobreespesor) Hasta presiones 15 bar Menor coste Soporte tipo faldón (cilíndrico, recto y de acero al carbono) Recipientes verticales (*) Aumento de espesor en la región adyacente a aperturas ‘ Diseño en Ingeniería Química’ de R.Sinnot y G.Towler (20012)
- 16. Equipos auxiliares 16 Purificación deglicerina producida en la fabricación de biodiesel. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 (*) Todas de acero inoxidable Conducciones 𝒅𝒊, ó𝒑𝒕𝒊𝒎𝒐 (mm) 𝒅𝒊 exterior (mm) 𝒅𝒊 nominal (mm) 1 758.1 Fabricado a medida 2 91.7 88.9 80 3 64.7 60.3 50 4 64.7 60.3 50 5 64.9 60.3 50 6 115.7 114.3 100 7 759.1 Fabricado a medida 8 71.1 76.1 65 9 95.3 76.1 65 Norma europea UNE EN 10255 5 min de tiempo de residencia para un tanque medio lleno Vv (m3) DT (m) HT (m) 2.195 0.887 3.549 Conducciones Tanque de reflujo Bomba Altura proporcionada (HB) = 17.08 m 1. Salida tanque de reflujo; 2. Entrada a la columna Accesorios: 3 codos 90º y 1 válvula regulación Carga neta de aspiración (NPSH) = 0.1 m Datos del tramo de aspiración (*) Altura de la bomba ‘ Diseño en Ingeniería Química’ de R.Sinnot y G.Towler (20012)
- 17. Instrumentación y control 17 Purificaciónde glicerina producida en la fabricación de biodiesel. Variables controladas: - Composición de la corriente de destilado - Composición de la corriente de producto de colas - Nivel del líquido del tanque de reflujo - Nivel de líquido en la base de la columna - Presión de la columna Posibles perturbaciones: - Caudal de la alimentación, composición y temperatura - Vapor de agua - Condiciones del agua refrigerante - Condiciones ambientales Configuración DV Lazos de control: - Lazo 1: Control de la presión de la columna - Lazo 2: Control del nivel del tanque de reflujo - Lazo 3: Control de la composición de destilado - Lazo 4: Control de la composición de producto de colas - Lazo 5: Control del nivel del líquido de la base de la columna ‘Selecting a Distillation Column Control Strategy’ de M.J. Willis (2000)
- 18. METANOL Punto de ebullición:64.7ºC Punto de fusión: -98ºC Temperatura de ignición: 455ºC Toxicidad agua por inhalación, por ingestión y por contacto con la piel Líquido fácilmente inflamable Seguridad y medio ambiente 18 Purificación de glicerina producida en la fabricación de biodiesel. GLICEROL Punto de ebullición: 182ºC Punto de fusión: 20ºC Temperatura de ignición: -Sustancia no peligrosa y estable. INDENTIFICACIÓN PELIGROS *Análisis de fallos y sus efectos (AMFE) EVALUACIÓN DE RIESGOS *Índice DOW de incendio y explosión: 51 (ligero) MEDIDAS DE PREVENCIÓN SUSTANCIAS - Colectivas: lava ojos, duchas de emergencia, extintores, barandillas, sistemas de ventilación - Individuales: guantes, gafas de seguridad, respiradores e indumentaria impermeable PROCESO - Válvula de alivio o válvula de seguridad - Sistema de detección de emisiones o sistema de alivio de presión - Cubetos de contención - Botiquines de primeros auxilios - Manual técnico - Cursos informativos SEGURIDAD EN PLANTA SEÑALIZACIÓN EN PLANTA - Advertencia - Prohibición - Obligación - Relativos a equipos contraincendios - Salvamento y socorro SEÑALIZACIÓN RECIPIENTES SEÑALIZACIÓN CONDUCCIONES
- 19. Disposición en planta 19 Purificaciónde glicerina producida en la fabricación de biodiesel. ‘Encyclopedia of Chemical Technology ‘ de Kirk-Othmer (2005) Distancias entre equipos: • Condensador – Caldera: 2.4 m • Caldera – Columna: 2.4 m • Bomba – Columna: 2.4 m • Tanque de reflujo – Bomba: 4.5 m Distancias entre los equipos y el suelo: • Columna: 1.5 m • Bomba: 0.5 m • Tanque de reflujo: 1 m • Caldera: 0.5 m • Condensador: 2.66 m Escala: 1:100 Cotas en: m Escala: 1:150 Cotas en: m
- 20. Estudio económico 20 Purificación deglicerina producida en la fabricación de biodiesel. ‘How to estimate utility costs’ de G.D. Ulrich y P.T. Vasudevan de Chemical Engineering (Abril 2006) Suposición inicial: Funcionamiento continuo durante 24h/día, 330días/año Coste eléctrico: Potencia eléctrica necesaria 150 kW 328546 €/año Coste agua: Vapor de agua y agua refrigerante 7482567 €/año COSTE TOTAL SERVICIOS GENERALES 7811113 €/año Coste mano de obra: Estimación de 7 operarios a jornada completa 8h/día 407249 €/año Coste amortización: 12% coste del inmovilizado 993162 €/año COSTE DE FABRICACIÓN O PRODUCCIÓN 7811113 €/año Producción de 69478992 kg/año Coste unitario de la glicerina pura será de 0.132 €/kg Precio de venta de la glicerina: 0.68 €/kg
- 21. Planificación 21 Purificación de glicerinaproducida en la fabricación de biodiesel. El proyecto comenzará el 1 de septiembre de 2015 El proyecto finalizará el 29 de septiembre de 2016 (duración 395 días)
- 22. Presupuesto 22 Purificación de glicerinaproducida en la fabricación de biodiesel.
- 23. 23 Purificación de glicerinaproducida en la fabricación de biodiesel. GRACIAS POR SU ATENCIÓN