En el proceso a simular a continuación vamos a utilizar bombas un mezclador, dos reactores, torres de destilación. Pero como los componentes que se han generado como materia prima de acuerdo a la tabla 3.4 y como productos en la tabla 3.5, no son factibles encontrarlos en la base de datos de Hysys, entonces tenemos que generarlos como compuestos hipotéticos en función a la información presentada en las tablas mencionadas y lo que haremos es lo siguiente, solo mostraremos uno de los caculos generados.
Ingresaremos al Simulation Basis Manager, donde elegiremos la pestaña componentes y presionaremos Add, en la ventana que se abre en la pestaña Selected, ubicaremos Hipothetical, donde podremos apertura una nueva ventana, donde presionaremos el botón Quick créate a Hypo Component, que nos abrirá una nueva ventana, donde nosotros proporcionaremos la información que tenemos en las Tablas 3.4 o 3.5 según sea el caso para poder conseguir generar todas las propiedades del termina que deseamos.
Para este caso en la casilla component name Colocaremos Oleato de Metilo en la pestaña Id, luego iremos a la pestaña Critical y allí rellenaremos todos los datos que nos pide:
FIGURA 3.19 Determinación de compuestos hipotéticos
FUENTE: Elaboración propia con Hysys
FIGURA 3.20 Ventana para ingresar propiedades del compuesto hipotético
FUENTE: Elaboración propia con Hysys
Los datos ingresados, de la tabla 3.5 permitirán calcular todas las demás propiedades termodinámicas de dicho compuestos. Y de esta forma calcularemos los compuesto esteres etílicos como los ácidos grasos que no tiene en su base el Hysys, de donde
posteriormente podremos jalar estos productos para nuestra simulación
FIGURA 3.21 Datos ingresados en la pestaña Critical
FUENTE: Elaboración propia con Hysys
Después ingresaremos en Components List la materia prima y los productos que se obtendrán
FIGURA 3.22 Lista de Componentes
FUENTE: Elaboración propia con Hysys
seleccionar los paquetes termodinámicos y Cargaremos 2 paquetes para cada caso que se necesite, NRTL-SRK y UNIQUAC, con lo que quedamos listos para ingresar al Simulation Environment.
FIGURA 3.23 Lista de Paquetes termodinámicos
FUENTE: Elaboración propia con Hysys
En el simulador iniciaremos cargando los fluidos de alimentación al proceso, uno para el aceite y otro para el metanol.
El flujo 1 es el de aceite y después de proporcionar la composición de alimentación de acuerdo a la tabla 3.6, así como las condiciones de operación siguientes y con el paquete termodinámico tres:
Compuestos Corriente 1 Corriente 2
Temperatura 25 °C 25 °C
Presión 1 atmósfera 1 atmósfera
FUENTE: Elaboración propia con Hysys
FIGURA 3.25 Corriente 2
FUENTE: Elaboración propia con Hysys
Agregaremos a continuación dos bombas B-1 para el flujo 2 y B-2 para el flujo 1, para transportar los líquidos hacia el mezclador donde se unirán con la corriente de recirculación de metanol que regresa de la torre de rectificación.
Condiciones de operación para la bomba de metanol, B1:
Variable Cantidad Unidades
Flujo volumétrico 3.8 L/min
P 0.013076 atmósferas
NPSH 10.92 metros
Condiciones de operación para la bomba de aceite, B2:
Variable Cantidad Unidades
Energía 3.2 Kw
Flujo volumétrico 1.4 L/min
P 0.013076 Atmósferas
NPSH 9.17 metros
Condiciones de operación para la bomba de recirculación, B3:
Variable Cantidad Unidades
Energía 2.5 Kw
Flujo volumétrico 1.88 L/mín
AP 0.03669 Atmósferas
NPSH 11.17 metros
FIGURA 3.26 Ubicación de Bombas y Mezclador
FUENTE: Elaboración propia con Hysys
A continuación pasamos a la zona de reacción, que se lleva a cabo en dos reactores CSTR. Cuyas características principales de
operación son los siguientes:
Equipo Reactor 1 Reactor 2
Presión 1 atmósfera 1 atmósfera
Temperatura 60 °C 60 °C
Fases de reacción vapor-líquido vapor-líquido Espacio-tiempo 30-120 minutos 30-120 minutos
Además también consideraremos se ingresan las respectivas reacciones y las constantes de velocidad de reacción antes mencionadas. Para esto regresaremos al Simulation Basic Manager en la pestaña reactions y añadiremos las reacciones y sus constantes cineticas, a partir de la tabla anterior:
FIGURA 3.27 Añadiendo reacciones y constantes cinéticas
FUENTE: Elaboración propia con Hysys
Regresamos al Simulation Enviromental, y allí agregaremos dos reactores el primero el R-1.
FUENTE: Elaboración propia con Hysys
En esta pantalla ingresaremos los flujos de ingreso y de salida en la pestaña Desing, Conections, luego en la pestaña Reactions, seleccionaremos en Reaction Set las constantes de equilibrio del proceso de reacción, como se muestra a continuación.
FIGURA 3.29 Reactor R-1, hoja reactions
FUENTE: Elaboración propia con Hysys
Con lo que se consigue que el proceso converja, de igual manera para el segundo reactor CRT, R-2, como se muestra a continuación:
FUENTE: Elaboración propia con Hysys
Que también después de cargas sus corrientes de ingreso y salida y el set de velocidades de reacción de las reacciones, este convergerá.
Después de los reactores se coloca una columna de recuperación del exceso de metanol que se recupera y recircula a la sección de reacción, aprovechando que la volatilidad del metanol es mayor que la de los demás componentes. El punto de ebullición del metanol es 65°C a 1 atmósfera de presión, mismo que está por debajo del punto de ebullición del Oleato de metilo (aproximadamente 320 °C a 1 atmósfera de presión) y del glicerol (300 °C a 1 atmósfera de presión). Las especificaciones más relevantes a incluir en esta columna de Destilación son los siguientes:
Datos
Tipo de cálculos Equilibrio Número de etapas reales 19
Condensador Total
Reboiler Kettle
Fase Vapor-Líquido
FIGURA 3.31 Torre de recuperación del metanol
FUENTE: Elaboración propia con Hysys
Que después de llenar en forma ordenada las 4 hojas con que cuentan, observamos en este último grafico todo lo seleccionado para poder utilizar la columna, primero llenamos las corrientes de flujo de ingreso y de salida tanto de materia como de energía, luego la presión de trabajo, en la tercera las temperaturas aproximadas de ebullición de los compuestos y finalmente la relación de reflujo a utilizar. En l página Desing, pestaña speice, se editara las propiedades que se requieren, como el de reflujo y luego haremos correr para obtener la resolución, consiguiéndose la convergencia de la torre de destilación del metanol, por el domo y por la base estará el FAME, la glicerina y algunos compuestos pesados.
FUENTE: Elaboración propia con Hysys
FIGURA 3.33 Torre de recuperación del metanol, 2da ventana
FUENTE: Elaboración propia con Hysys
FUENTE: Elaboración propia con Hysys
FIGURA 3.35 Torre de recuperación del metanol, 4ta ventana
FUENTE: Elaboración propia con Hysys
Como vemos la barra esta de color rojo, que nos indica que los grados de libertad no son cero y que hace falta cargar algunas variables, las cuales las haremos mediante la pestaña speice de la forma siguiente:
La composición del metanol en el domo debe de ser 90%, y en los fondos 0.2 %.
Component Fraction
FUENTE: Elaboración propia con Hysys
FIGURA 3.37 Variable agregada en el fondo mediante la propiedad Component Fraction
FUENTE: Elaboración propia con Hysys
Los fondos de esta columna se ingresan a un extractor, donde se le lava con agua. El propósito de esta etapa es la separación de biodiesel del glicerol utilizando una extracción líquida por contacto en contracorriente con agua, aprovechando que el biodiesel es inmiscible en agua.
FIGURA 3.38 Columna de extracción liquido - liquido
FUENTE: Elaboración propia con Hysys
Por el domo obtendremos el FAME y por los fondos el agua y la glicerina generada en las reacciones.
Las características a tomar en cuenta son las siguientes:
Para el agua que es empleada como líquido extractor la única especificación inicial es una temperatura de 25 °C.
Característica Cantidad
Número de platos 8 Presión 1 atmósfera
Además en esta etapa deberemos de cargar las composiciones de los flujos de salida para obtener resultados adecuados.
El flujo que sale por el domo de esta columna extractora, se pasara a una columna de destilación para poder obtener el biodiesel con una riqueza aproximada de 96.5%, y por los fondos, aceites pesados y saponificados.
Los datos para la sección de purificación de biodiesel son lo siguientes:
Tipo de cálculos Equilibrio Número de etapas reales 13
Condensador Total
Reboiler Kettle
Fase Vapor-Líquido
Etapa de alimentación 7
Presión 1 atmósfera
Este proceso se lleva a cabo en cuatro etapas, las cuales mostramos a continuación, después de haber conseguido que la columna converja.
FIGURA 3.39 Flujos e información necesaria para la columna T-2 de destilación
FUENTE: Elaboración propia con Hysys
Los fondos que se obtienen en la columna de extracción, se destila en una tercera columna para conseguir la purificación del glicerol. El glicerol se genera en cantidades significativas como sub- producto del proceso de fabricación de biodiesel (10% aproximadamente de la producción de biodiesel).
Los estándares ASTM establecen que la purificación del glicerol tiene que ser superior al 90% en peso para vender glicerol como un
producto refinado.
Para llevar a cabo la simulación es indispensable realizar las siguientes especificaciones:
Datos
Tipo de cálculos Equilibrio Número de etapas reales 13
Condensador Total Reboiler Kettle Fase Vapor-Líquido Etapa de alimentación 7 Presión 1 atmósfera El proceso es el siguiente:
FIGURA 3.40 Flujos e información necesaria para la columna T-3 de destilación
FUENTE: Elaboración propia con Hysys
Finalmente el flowsheet total propuesto inicialmente ha sido completado, quedando de la siguiente manera finalmente:
FIGURA 3.41 Diagrama de flujo Final de la producción de biodiesel a partir de aceite de algas