cenidet
Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
Departamento de Ingeniería MecatrónicaTESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS
Simulación y Control de una Planta de Destilación para Producir
Etanol Anhidro
Presentada por
Rosendo M. J. Vargas Valle
Ing. en sistemas computacionales por el I. T. de Zacatepec Como requisito para la obtención del grado de: Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica
Director de tesis:
Dra. María Guadalupe López López Co-Director de tesis:
Dr. Enrique Quintero-Mármol Márquez Jurado:
Dr. Rigoberto Longoria Ramírez – Presidente Dr. Víctor Manuel Alvarado Martínez – Secretario
Dra. María Guadalupe López López– Vocal Dr. Enrique Quintero-Mármol Márquez – Vocal Suplente
iii
Dedicatoria
Dedico este trabajo a todas las personas que me apoyaron de alguna manera en el desarrollo de este proyecto de tesis, a mi familia por todo su apoyo, en especial a Diana el amor de mi vida, quien siempre me ayudo en los momentos más difíciles, a mis asesores que siempre estuvieron ahí para aconsejarme, en fin a todos ¡Muchas Gracias!.
v
Agradecimientos
A mi familia, por brindarme todo el apoyo que necesite durante todo el tiempo que duró toda esta gran aventura que es el estudiar un posgrado.
A Dianita, mi niña que me dio todo su apoyo y confianza, levantándome en momentos difíciles y recordándome a cada momento que necesitaba la razón de todo este esfuerzo.
A mi querida Clotilde, que al llegar a casa después de días muy difíciles me dibujaba una sonrisa en el rostro con sus travesuras.
A mis asesores, la Dra. Guadalupe López y al Dr. Enrique Quintero-Mármol, por toda su paciencia, apoyo y disposición durante el desarrollo de este proyecto de tesis. A mis revisores, el Dr. Rigoberto Longoría y el Dr. Víctor Alvarado, por sus valiosos comentarios y por la gran disponibilidad para la revisión de esta tesis.
A todos mis compañeros de generación, que permitieron con sus ocurrencias e incoherencias transformar a las difíciles y extenuantes noches de trabajo en experiencias que quisiera volver a repetir y que nunca podré olvidar.
Al Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico y a todo su personal, por darme la oportunidad de realizar mis estudios de maestría y de convertirme en un mejor ser humano.
A la DGEST por el apoyo económico que me brindo durante mis estudios de maestría.
¡A todos, muchas gracias por todo!
Tabla de contenido vii
Contenido
Dedicatoria. ii Agradecimientos. iv Tabla de contenido. vi Índice de figuras. xÍndice de tablas. xiv
Resumen xvi
Abstract xviii
Introducción. 1
Planteamiento del problema. 4
Solución Propuesta. 4 Justificación. 5 Objetivos. 5 Objetivo general. 5 Objetivos particulares. 5 Hipótesis. 5 Alcances y limitaciones. 5 Aportaciones y beneficios. 6
Organización del texto. 6
Capítulo 1
Fundamentos Teóricos. 9
1.1 La destilación 11
1.1.1 Columna de destilación o columna fraccionaria. 11
1.1.2 Azeotrópos. 12
1.1.3 Destilación azeotrópica. 14
1.2 Estado del arte de la deshidratación de etanol. 14
1.3 Descripción del comportamiento de la mezcla Etanol - Agua – Benceno. 18
1.3.1 Comportamiento de las mezclas binarias. 18
1.3.1.1 Agua-Benceno. 18
1.3.1.2 Etanol-Agua. 19
1.3.1.3 Etanol-Benceno. 20
1.3.2 Comportamiento de la mezcla ternaria Etanol-Agua-Benceno. 20
Capítulo 2
Proceso de deshidratación de etanol: Estado Estable. 23
2.1 Proceso de deshidratación de etanol por destilación azeotrópica heterogénea. 25
2.2 Configuración propuesta por Luyben [1]. 26
2.3 Simulación del proceso de deshidratación de etanol: Estado Estable. 27
2.3.1 Software de simulación Aspen Plus™. 27
2.3.2 Construcción de la secuencia. 27
2.3.2.1 Diagrama de flujo: Selección de equipo e interconexión. 28
2.3.2.2 Selección de componentes. 31
2.3.2.3 Selección de modelo de equilibrio de fases. 32
2.3.2.3.2 Análisis y selección. 33
2.3.2.4 Configuración del equipo. 35
2.3.2.4.1 Columnas de destilación. 35
2.3.2.4.2 Intercambiador de calor y decantador. 36
2.3.3 Definición de las condiciones iniciales. 38
2.3.4 Multiplicidad de estados. 41
2.3.5 Simulación en estado estable de la configuración final. 42
2.3.6 Análisis de sensibilidad. 46
2.3.7 Discusión de Resultados. 50
Capítulo 3
Proceso de deshidratación de etanol: Dinámica. 51
3.1 Software de simulación Aspen Dynamics™. 53
3.2 Simulación dinámica y control de la secuencia de destilación de sistema
etanol-agua-benceno. 53
3.2.1 Lazos de control. 55
3.4 Configuración dinámica final y desempeño. 57
3.5 Discusión de resultados. 71
Capítulo 4
Implementación de un controlador difuso en Aspen™ y Evaluación de su
desempeño. 73
4.1 Software de modelado Aspen Custom Modeler™. 75
4.1.1 Descripción general de Aspen Custom Modeler™. 75
4.1.2 Paradigma de programación. 75
4.2 Descripción del modelo de un controlador difuso normalizado. 75
4.2.1 Control difuso 75
4.2.2 Descripción general del modelo. 76
4.2.3 Reglas de inferencia. 76
4.2.4 Sistema difuso. 78
4.2.5 Escalamiento de las señales. 80
4.3 Controladores difusos en la secuencia de deshidratación de etanol. 81
4.3.1 Nueva estructura de control. 81
4.3.2 Parámetros de los controladores. 81
4.3.3 Comparación del desempeño de los controladores difusos vs. PI. 84
4.3.4 Respuesta a perturbaciones. 88 4.4 Discusión de resultados 91
Capítulo 5
Conclusiones. 93 5.1 Conclusiones generales. 95 5.1.1 Secuencia implementada. 955.1.2 Control inteligente en la suite de ingeniería de Aspen™. 96
5.2 Recomendaciones. 96
5.3 Trabajos futuros. 96
Tabla de contenido
ix
ANEXOS
103ANEXO A: Multiplicidad de estados. 105
ANEXO B: Sintonización de controladores PI de la secuencia por el método de la
curva de reacción (Cohen Coon). 107
ANEXO C: Ejemplo de codificación en Aspen Custom Modeler™, aplicación a una
columna de destilación binaria ideal. 114
ANEXO D: Modelo de un controlador difuso normalizado en Aspen Custom
Modeler™. 126
ANEXO E: Modelo de la planta piloto CENIDET, aplicación a la etapa de
Tabla de contenido
xi
Índice de Figuras
Figura 1: Diagrama básico de una columna de destilación [4]. ...12
Figura 2: Mezcla binaria con comportamiento ideal. ...13
Figura 3: Mezcla binaria no ideal, azeotrópica. ...13
Figura 4: Comportamiento del Agua en la mezcla Agua-Benceno a 1 Atm, figura generada en Aspen™...19
Figura 5: Comportamiento del Etanol en la mezcla Etanol-Agua a 1 Atm, figura generada en Aspen™...19
Figura 6: Comportamiento del Etanol en la mezcla Etanol-Benceno a 1 Atm, figura generada en Aspen™...20
Figura 7: Azeotrópos presentes en la mezcla Etanol-Agua-Benceno, datos obtenidos en Aspen™...21
Figura 8: Diagrama ternario de la mezcla, figura generada en Aspen™. ...21
Figura 9: Proceso de deshidratación de etanol por destilación azeotrópica heterogénea, según la descripción en [1]. ...25
Figura 10: Secuencia conceptual [1]. ...26
Figura 11: Localización de los modelos RadFrac en la interfaz de Aspen™. ...28
Figura 12: Localización de los decantadores en la interfaz de Aspen™...29
Figura 13: Localización de intercambiador de calor en la interfaz de Aspen™...29
Figura 14: Localización de bombas y válvulas en la interfaz de Aspen™...30
Figura 15: Opciones de colocación de flujos en la interfaz de Aspen™. ...30
Figura 16: Secuencia en estado estable obtenida...31
Figura 17: Especificación de componentes en la interfaz de Aspen™. ...31
Figura 18: Modelo NRTL y datos experimentales de equilibrio Liquido-Liquido a 55˚C a 1 Atm. ...34
Figura 19: Modelo UNIQUAC y datos experimentales de equilibrio Liquido-Liquido a 55˚C a 1 Atm. ...35
Figura 20: Diagrama de flujo para obtener las condiciones iniciales. ...38
Figura 21: Secuencia de deshidratación de etanol, usando al benceno como solvente en un proceso de destilación azeotrópica heterogénea en estado estable desarrollada en Aspen™, () Entradas, () Salidas...40
Figura 22: Diagrama de flujo completo de la simulación en estado estable, generado de los resultados obtenidos de la simulación. ...45
Figura 23: Diagramas de flujo de los subsistemas extraídos de la secuencia de deshidratación de etanol generados en Aspen™: (a) Subsistema C1, (b) Subsistema Hx-Dec y (c) Subsistema C2...47
Figura 24: Secuencia con los ciclos de proceso cerrados, obtenido de las primeras simulaciones dinámicas del proceso...54
Figura 25: Secuencia propuesta en [1]. ...55
Figura 26: Secuencia de deshidratación de etanol completa, utilizando al benceno como agente separador, obtenida de la simulación final en Aspen™. ...58
Figura 27: Comportamiento dinámico de la concentración de etanol de secuencia, obtenida de la simulación en Aspen™...59
Figura 28: Comportamiento dinámico de la pureza de agua, obtenida de la simulación en Aspen™...59
Figura 29: Resultados de la simulación del proceso de destilación azeotrópica heterogénea del sistema etanol-agua-benceno, obtenidas de la simulación final en Aspen™...64
Figura 30: Comportamiento dinámico del control de temperatura de la columna C1, TC1. ...65
Figura 31: Comportamiento dinámico del control de temperatura de la columna C2, TC2. ...65
Figura 32: Comportamiento dinámico del control de temperatura del condensador HX, TCD. ...66
Figura 33: Comportamiento dinámico del control de presión de la columna C1, PC1. ...66
Figura 34: Comportamiento dinámico del control de presión de la columna C2, PC2. ...67
Figura 35: Comportamiento dinámico del control del flujo de alimentación a la columna C1, FC...67
Figura 36: Comportamiento dinámico del control de reflujo de la columna C1, FCreflux...68
Figura 37: Comportamiento dinámico del control de nivel del tanque del hervidor de la columna C1, LC11. ...68
Figura 38: Comportamiento dinámico del control de nivel del tanque del hervidor de la columna C2, LC21. ...69
Figura 39: Comportamiento dinámico del control de nivel del tanque del condensador de la columna C2, LC22. ...69
Figura 40: Comportamiento dinámico del control de nivel de la fase acuosa en el decantador, LCDaq. ...70
Figura 41: Comportamiento dinámico del control de nivel de la fase orgánica del decantador, LCDorg. ...70
Figura 42: Estructura general de un controlador difuso [36]. ...76
Figura 44: Respuesta de un sistema de segundo orden subamortiguado [36]. ...77
Figura 45: Error de un sistema de segundo orden subamortiguado [36]. ...77
Figura 46: Maquina de inferencia tipo producto [36]. ...79
Figura 47: Secuencia destilación azeotrópica heterogénea del sistema etanol-agua-benceno con controladores difusos instalados, estos se indican con una flecha. ...83
Figura 48: Respuesta de flujo con control PI, en condiciones normales, simulación en Aspen™ a 25 hrs. ...84
Figura 49: Respuesta de flujo con control difuso, en condiciones normales, simulación en Aspen™ a 25 hrs. ...85
Figura 50: Detalle del comportamiento dinámico del control PI de flujo, simulación en Aspen™ a 4 hrs. ...85
Figura 51: Detalle del comportamiento dinámico del control difuso de flujo, simulación en Aspen™ a 2 hrs. ...86
Figura 52: Respuesta del control PI de temperatura en la simulación en Aspen™. ...86
Figura 53: Respuesta del control difuso de temperatura, simulación en Aspen™ a 25 hrs. ..87
Figura 54: Detalle de la respuesta del control difuso de temperatura, simulación en Aspen™ a 2 hrs. ...87
Figura 55: Respuesta a perturbaciones, simulación a 10 Hrs. ...89
Figura 56: Etanol a 82% mol en la alimentación, 25 hrs de simulación en Aspen™...90
Figura 57: Etanol a 86% mol en la alimentación, 25 hrs de simulación en Aspen™...90
Figura 58: Obtención de parámetros por Cohen Coon... 107
Figura 59: Respuesta a un escalón del 5% de la válvula V1. ... 108
Figura 60: Punto de apertura de la secuencia... 109
Figura 61: Curva de reacción en la temperatura después de HX. ... 109
Figura 62: Curva de reacción en el nivel a la apertura de la válvula V21. ... 110
Figura 63: Respuesta del nivel del condensador de C2 a la apertura de V2. ... 110
Figura 64: Curva de reacción del nivel acuoso en el decantador. ... 111
Tabla de contenido
xiii
Figura 67: Diagrama del modelo de una columna de destilación binaria ideal [42]. ... 115
Figura 68: Respuesta del modelo implementado en MatLab©. ... 120
Figura 69: Secuencia de una columna de destilación binaria ideal en Aspen Custom Modeler™. ... 124
Figura 70: Comportamiento de la concentracion en la base de la columna... 125
Figura 71: Comportamiento de la pureza del destilado de la columna. ... 125
Figura 72: Grados de pertenencia singletón de las entradas [36]. ... 126
Figura 73: Valores lingüísticos de la entrada definidos [36]... 127
Figura 74: Grado de pertenencia triangular, cero (Z) [36]. ... 127
Figura 75: Singletones posibles de salida del sistema [36]. ... 128
Figura 76: Variables principales del modelo de controlador difuso normalizado... 132
Figura 77: Desempeño del CDBI con control PI de la concentración en parte baja... 134
Figura 78: Desempeño del CDBI con control Difuso de la concentración en la parte baja. . 135
Figura 79: Desempeño del control PI en la pureza del destilado... 135
Figura 80: Desempeño del control difuso en la pureza del destilado... 136
Figura 81: Secuencia Batch de la columna CENIDET... 138
Tabla de contenido
xv
Índice de Tablas
Tabla 1: Datos experimentales del equilibrio Liquido-Liquido de la mezcla
etanol-agua-benceno a 55˚C a 1 Atm. de [30]. ...33
Tabla 2: Parámetros del equipo para la simulación en estado estable...37
Tabla 3: Concentraciones de alimentacion. ...38
Tabla 4: Concentraciones iniciales obtenidas. ...38
Tabla 5: Valores iniciales de la alimentación de la secuencia. ...39
Tabla 6: Valores obtenidos de la primera simulación en estado estable. ...39
Tabla 7: Características de las corrientes de entrada. ...41
Tabla 8: Respuesta en estado estable con una concentración alta de etanol en B1 (fondo de la columna). ...41
Tabla 9: Respuesta en estado estable con una concentración baja de etanol en B1 (fondo de la columna). ...41
Tabla 10: Corrientes de alimentación de la simulación en estado estable final. ...42
Tabla 11: Resultados de la simulación en estado estable final. ...42
Tabla 12: Perfiles de temperatura y concentraciones de la columna C2 en simulación estable. ...43
Tabla 13: Perfiles de temperatura y concentraciones de la columna C1 en simulación estable. ...44
Tabla 14: Configuración de los controladores de la secuencia de deshidratación de etanol, utilizando al benceno como agente separador...54
Tabla 15: Propiedades de la corriente de alimentación del proceso de producción de etanol anhidro utilizando al benceno como separador...60
Tabla 16: Perfiles estables de temperatura y concentraciones de la columna C2 despues de 50 hrs de simulacion dinamica...60
Tabla 17: Perfiles estables de temperatura y concentraciones de la columna C1 despues de 50 hrs de simulacion dinamica...61
Tabla 18: Lista del equipo de la secuencia de producción de etanol anhidro y su configuración final usada para su simulación en la suite de Aspen™. ...62
Tabla 19: Base de reglas de los controladores. ...81
Tabla 20: Parámetros de configuración de los controles difusos en la secuencia de producción de etanol anhidro...82
Tabla 21: Reglas de inferencia de ambos controladores difusos. ...84
Tabla 22: Código fuente de Aspen Custom Modeler™ para simular perturbaciones, aumento de etanol a 86% mol. ...88
Tabla 23: Resultados de los experimentos de perturbación a 25 hrs. de simulación...89
Tabla 24: Propiedades de las corrientes de alimentación antes de la reducción... 105
Tabla 25: Productos de la columna C1 antes de la reducción... 105
Tabla 26: Corrientes de alimentación después de la reducción. ... 105
Tabla 27: Productos de la columna C1 después de la reducción. ... 106
Tabla 28: Productos al regresar al valor de flujo inicial. ... 106
Tabla 29: Productos de la columna C1 a 0.12 kmol/s, en un segundo estado estable. ... 106
Tabla 30: Formulas para configurar controladores por Cohen Coon. ... 107
Tabla 31: Parámetros obtenidos por Cohen-Coon. ... 108
Tabla 32: Parámetros obtenidos de las graficas de respuesta. ... 112
Tabla 33: Configuración final de los controladores de la secuencia. ... 113
Tabla 35: Formato general del código fuente en Aspen Custom Modeler™... 121
Tabla 36: Código del modelo de la columna de destilación binaria ideal en Aspen Custom Modeler™. ... 122
Tabla 37: Código de un controlador PI en Aspen Custom Modeler™. ... 123
Tabla 38: Distribución de las reglas ... 129
Tabla 39: Reglas definidas para nuestro sistema... 130
Tabla 40: Pseudo código inicial. ... 130
Tabla 41: Código de un controlador difuso normalizado en Aspen Custom Modeler™. ... 131
Tabla 42: Desglose de las variables del modelo de controlador difuso normalizado. ... 133
Tabla 43: Propiedades de la columna CENIDET. ... 137
Tabla 44: Datos de la columna [41]... 137
Tabla 45: Comparación de resultados de la simulación en Aspen™... 138
Tabla 46: Parámetros de la secuencia batch en Aspen™... 139
Tabla 47: Parámetros de la columna en simulación continua... 140
xvii
Resumen
En este trabajo de tesis se implementa a nivel simulación, una planta de destilación para producir etanol anhidro, basada en la configuración para la deshidratación de etanol presentada por William Luyben en su libro “DISTILLATION DESIGN AND CONTROL USING ASPEN™ SIMULATION”, publicado por JOHN WILEY & SONS, INC. en el año 2006. Dicha configuración utiliza la destilación azeotrópica heterogénea y al benceno como agente separador orgánico.
El paquete de simulación utilizado es la Suite de Ingeniería de Aspen™, un paquete simulación de procesos de amplia utilización en la industria. La implementación se puede dividir en dos partes generales, la primera, la construcción del diagrama de flujo y su simulación en estado estable, esto en el paquete Aspen Plus™. La segunda, la construcción de la estructura de control y la simulación dinámica, utilizando el paquete Aspen Dynamics™, ambos parte de la Suite.
La primera fase es relativamente simple, pues prácticamente toda la información necesaria para la simulación en estado estable se encuentra en al libro de W. Luyben. Sin embargo, no presenta toda la información necesaria para la implementación de la estructura de control del proceso y por lo tanto de la simulación dinámica. Por esta razón se realiza la configuración de varios controladores PI por el método de la curva de reacción (Cohen-Coon). Se adiciona también el problema de la utilización adecuada de un software nuevo.
La simulación dinámica de la secuencia implementada presenta un producto de etanol con una pureza de 99.56% mol, esta pureza es mayor con respecto al que documenta Luyben, de 99.25% mol. En términos generales, la mayor problemática del proceso se encuentra en mantener la cantidad adecuada de agente separador (Benceno en este caso) en la columna azeotrópica, sin embargo, es sistema obtenido de un proceso de destilación azeotrópica heterogénea presenta otras problemáticas importantes, como son altos índices de sensibilidad y multiplicidad de estados.
Adicionalmente, se implementa un modelo de un controlador difuso normalizado de tipo mamdani, esto en el paquete de desarrollo de modelos Aspen Custom Modeler™, con el fin de probar la capacidad de la Suite de ingeniería de Aspen™ para el desarrollo de controladores complejos. Este modelo es instalado y simulado de forma dinámica en el proceso de producción de etanol anhidro, obteniendo buenos resultados.
Por otra parte, se incluye el desarrollo de un diagrama de flujo que simula a la planta piloto de destilación de CENIDET, comprobando los resultados obtenidos por medio de los datos de estado estable experimentales de un proceso por lotes de concentración de etanol en la misma, estos datos son presentados en la tesis “Observador Continuo-Discreto para la Estimación de Concentraciones en una Columna de Destilación, para la Mezcla Etanol-Agua”, Aguilera, CENIDET 2008.
xix
Abstract
In this thesis work, a distillation plant to produce anhydrous ethanol is implemented at simulation level, based in the configuration for the ethanol dehydration presented by William Luyben in he’s book: “DISTILLATION DESIGN AND CONTROL USING ASPEN™ SIMULATION”, published by JOHN WILEY & SONS, INC. in 2006. This configuration uses the heterogenous azeotropic distillation and the benzene as organic entrainer.
The simulation package used is the Aspen™ Engineering Suite, this simulation software is a ample use software in the processes industry. The implementation can be divided in two general parts, first, the construction of the flow sheet and their simulation in steady state, this in the package Aspen Plus™. Second, the construction of the control structure and the dynamic simulation, using the package Aspen Dynamics™, both part of the Aspen™ Engineering Suite.
The first stage is relatively simple, because practically all the necessary information for the steady state simulation is reported in the book of W. Luyben. Nevertheless, it does not present all the necessary information for the implementation of the process control structure and therefore of the dynamic simulation. This is reason to improve the configuration of several PI controllers using the method of the reaction curve (Cohen-Coon). The problem of the suitable use of a new software is also added.
The dynamic simulation of the implemented sequence presents an ethanol product with a purity of 99,56% mol, this purity is greater with respect to the one than it documents Luyben, of 99,25% mol. In general terms, the major problematic in the process is maintaining the suitable amount of entrainer (Benzene in this case) in the azeotropic column, nevertheless, the obtained system of a heterogenous azeotropic distillation process presents other important problematics, as they are high sensitivity and multiple steady states.
Additionally, a standard diffuse controller modelo, mamdani type, is implemented, this in the model development software Aspen Custom Modeler™, with the purpose of to prove the capacity of the Suite of engineering of Aspen™ for the development of complex controllers. This model is installed and simulated dynamically in the anhydrous ethanol production process, obtaining good results.
On the other hand, the development of a flow sheet than simulate the CENIDET distillation pilot plant is included, verified by the results obtained by steady state experimental data from a batch process of ethanol concentration in the same, these data are presented in the thesis “Observador Continuo-Discreto para la Estimación de Concentraciones en una Columna de Destilación, para la Mezcla Etanol-Agua”, Aguilera, CENIDET 2008.
Introducción
3
Introducción
El alto precio y la nocividad al ambiente de los combustibles derivados del petróleo ha puesto en alerta a los gobiernos de los países en todo el mundo, haciendo evidente la necesidad de fuentes de energía alternativas.
El etanol es una de las alternativas más importantes e incluso países como Brasil, Suecia y Estados Unidos ya lo utilizan en su parque de automóviles.
El etanol es un alcohol producido a través de la fermentación de los azucares o del almidón extraído de la biomasa de ciertos cultivos y de los desechos agrícolas o forestales. El etanol producido de estas materias primas también se denomina bioetanol. En Estados Unidos se extrae del maíz; en Brasil, de la caña de azúcar; en España, de la remolacha, y en los países nórdicos de la celulosa procedente de la madera.
El etanol mezclado en diversa proporciones con la gasolina (85:15 es la mas frecuente) puede ser utilizado como combustible en automóviles. Su uso no debería entrañar mayores problemas en los vehículos producidos en serie actuales, siendo necesario que para el caso más complicado la modificación de ciertos elementos relativos a la inyección y al encendido, las juntas del motor y los conductores de combustible; sin que ello pueda significar un coste excesivo. Hoy ya se fabrican coches preparados específicamente para utilizar tanto gasolina como diversas mezclas etanol/gasolina, son los denominados "coches flexibles" o “flexifuel”.
En países como Suecia, Canadá o Estados Unidos es preceptivo expender gasolina mezclada con un 5% de etanol debido a sus propiedades antidetonantes, ya que eleva el octanaje de las gasolinas en sustitución de otras substancias de efectos nocivos. Entre otras ventajas, el etanol, al ser un recurso renovable, minimiza la dependencia de las importaciones de combustible y, comparado con los combustibles tradicionales, produce menos emisiones contaminantes de gases de efecto invernadero, con un balance global positivo ya que las emisiones de CO2 se compensan al ser absorbidas
durante el proceso de regeneración de la materia vegetal que sirve de base para la producción del etanol.
La producción de etanol por fermentación provee una mezcla de etanol-agua que tiene una concentración de etanol de entre 4% mol y 6% mol [1], por lo que se hace pasar por una etapa de concentración de donde se obtiene una mezcla etanol-agua con una concentración que no supera el 89.99% mol de etanol, a presión atmosférica [2], sin embargo el contenido de agua presente en la mezcla, a pesar de ser pequeño, es perjudicial para los motores de combustión interna porque provoca problemas de corrosión.
Entre las alternativas tecnológicas para generar un etanol anhidro están la destilación, la adsorción, la pervaporación y combinaciones de estas.
La adsorción es un proceso en el cual se usa un sólido con una superficie interna muy grande (entre 500-1500 m2/g) para eliminar una sustancia soluble en el agua, pero
implica inconvenientes como un elevado capital de inversión, la necesidad de regeneración y el reemplazo periódico del tamiz molecular.
La pervaporación es la evaporación selectiva de un componente de una alimentación líquida al ponerla ésta en contacto con una membrana semi-permeable, no se ha explotado comercialmente por lo que es costoso e implica una producción a pequeña escala.
La destilación es la un método para separar mezclas mediante calor, aprovechando los diferentes puntos de ebullición de cada una de las sustancias. Esta es la tecnología más usada a escala industrial para producir etanol anhidro en sus diversas variantes.
La dificultad de separar la mezcla etanol-agua por destilación radica en su comportamiento termodinámico, pues forma una mezcla azeotrópica; es decir una mezcla líquida de dos o más componentes que posee un único punto de ebullición, y que al pasar al estado vapor se comporta como un líquido puro, o sea como si fuese un solo componente. Por lo que es necesario implementar técnicas de destilación no ideales:
• Destilación extractiva con sales: Se agrega a la mezcla como agente separador una sustancia salina para desplazar o romper el azeótropo y así permitir la separación. Su dificultad radica en la predicción del equilibrio de fases y en problemas de corrosión del equipo.
• Destilación azeotrópica heterogénea (con solventes): Se agrega a la mezcla como agente separador a una sustancia que induce la separación de la mezcla en dos diferentes fases liquidas.
• Destilación azeotrópica homogénea: Se agrega a la mezcla como agente separador a una sustancia que no provoca la separación de fases de la mezcla.
Planteamiento del problema
El control del proceso de producción de etanol por destilación azeotrópica heterogénea, es un problema importante, provocado por un comportamiento altamente no ideal de la mezcla y a una alta sensibilidad a pequeños cambios.
Sin embargo en cenidet no se cuenta con un equipo adecuado para desarrollar este proceso, ni con información teórica previa que sirva como base para su estudio.
Por lo tanto el problema es contar con la información de base suficiente para el estudio del problema de control que representa la producción de etanol por destilación azeotrópica heterogénea, sin depender de un equipo de proceso.
Solución Propuesta
Se propone implementar a nivel simulación una secuencia de destilación para producir etanol anhidro por destilación azeotrópica heterogénea usando el benceno como agente separador, reproduciendo la secuencia propuesta por W. Luyben en [1], en el software de simulación comercial como es la suite de ingeniería de Aspen™.
Además de implementar una técnica de control alternativa para conocer los limites de las modificaciones que la implementación podrá permitir.
Introducción
5
Justificación
o La producción de combustibles no fósiles es una problemática actual y de gran importancia en el estilo de vida del hombre, debido principalmente a la contaminación del medio ambiente.
o En México la alternativa de producción de etanol anhidro para su utilización como combustible es una tecnología que no ha sido explotada como en otros países. o En el caso de CENIDET, este un tema de interés para el grupo interdepartamental de
diseño y control de procesos.
o Se puede desarrollar dentro del área de la mecatrónica por la necesidad de combinar diferentes áreas del conocimiento como química, termodinámica, control de procesos y simuladores (computación).
Objetivos.
Objetivo General
Simular y controlar una secuencia para la producción de etanol anhidro.
Objetivos Particulares
• Predecir el equilibrio de fases de la mezcla Etanol-Agua y Etanol-Agua-Benceno en el software Aspen Split™.
• Reproducir y simular la secuencia propuesta por Luyben [1] para la producción de etanol anhidro en los paquetes Aspen Plus™ y Aspen Dynamics™.
• Realizar un análisis de sensibilidad del sistema.
• Reproducir el esquema de control de la planta, propuesta por Luyben [1]. • Proponer un esquema de control alternativo.
• Implementar este control a nivel simulación de la planta.
• Realizar un análisis comparativo de los resultados obtenidos con el control alternativo con respecto al control propuesto por Luyben [1].
Hipótesis.
A partir de información proporcionada por W. Luyben en [1] es posible implementar (reproducir) una secuencia de destilación azeotrópica heterogénea para producir etanol anhidro, así como también su estructura de control, permitiendo además modificar dicha estructura con el objetivo de incorporar controladores avanzados al sistema, además obtener información suficiente acerca del problema de control que representa este proceso.
Alcances y limitaciones.
Se contara con una simulación dinámica del proceso de deshidratación de etanol, así como de su estructura de control.
Este modelo será implementado en la suite de ingeniería de Aspen™, un software comercial de simulación de procesos químicos de amplia utilización en la industria. Se contara con un análisis del comportamiento de la mezcla que se procesa para obtener etanol anhidro y un análisis del comportamiento de la secuencia del proceso en base a su sensibilidad.
Se contara además con un modelo de un controlador avanzado, que pueda utilizarse en el control de la simulación del proceso de producción de etanol anhidro y en otros modelos desarrollados en la suite de ingeniería de Aspen™.
Al final se contará con un simulador de la secuencia de destilación para la producción de etanol anhidro, incluida su estructura de control.
Aportaciones y beneficios.
Se pretende que la simulación del proceso de destilación de etanol anhidro implementada permita la experimentación de diferentes estructuras de control y diferentes configuraciones de los controladores instalados, además de permitir la substitución de substancias y del equipo que interviene en el proceso con el fin de experimentar nuevas posibilidades de producción de etanol anhidro.
El desarrollo de un control avanzado abrirá la posibilidad de la implementación de controladores y estructuras de control más complejas y eficientes en la suite de ingeniería de Aspen™, que puedan ser simuladas con el fin de mejorar el proceso. En general la experiencia obtenida en el manejo de un software de simulación especializado, sentará las bases para el desarrollo de proyectos más complejos y confiables, de una manera relativamente más simple y rápida, aprovechando una herramienta de simulación moderna y de amplia utilización en la industria.
Organización del texto.
En el capitulo 1 se muestran los conceptos, teoría y estado del arte referente a la producción de etanol anhidro. Se describe el comportamiento de las substancias y las mezclas que se consideran importantes en el proceso.
El capitulo 2 nos presenta el proceso de destilación azeotrópica heterogénea y la configuración para producir etanol anhidro expuesta por William Luyben en [1]. Se describe al software de simulación Aspen Plus™ y como se selecciona el equipo para construir el diagrama de flujo del proceso, también se explica como fue seleccionado el modelo de equilibrio de fases para generar la simulación. Se enlistan los parámetros del equipo y finalmente se presentan los resultados obtenidos de la simulación en estado estable del proceso para la obtención de etanol anhidro, así como la multiplicidad de estados presente en el sistema y un análisis de sensibilidad del proceso.
En el capitulo 3 se explican los lazos de control de la secuencia propuesta por Luyben en [1], se detallan los resultados de la simulación dinámica del proceso de deshidratación de etanol con benceno. Se configuran e implementan controles PI propuestos en [1] y finalmente se presenta un análisis del desempeño del sistema y sus controladores. En el capitulo 4 se expone el proceso de implementación de un controlador difuso normalizado implementado en Aspen Custom Modeler™, primero se explica de forma simple el funcionamiento de esta interfaz de modelado, posteriormente se expone el funcionamiento del modelo y al final se presenta la experimentación del controlador difuso en le secuencia de deshidratación de etanol, realizando pruebas comparativas con el control convencional y su desempeño ante perturbaciones en la concentración en
Introducción
7 Finalmente en el capitulo 5 se establecen las conclusiones de este trabajo de tesis, así como recomendaciones para el uso del modelo y de la suite de ingeniería de Aspen™, además de presentar las posibilidades de experimentación y desarrollo en el que este trabajo puede apoyar.
Al final del documento se incluyen las referencias de los trabajos sirvieron de apoyo para el desarrollo de este trabajo de tesis y los anexos con información detallada sobre este trabajo.
Capítulo 1
Fundamentos Teóricos.
En este capitulo se describe el proceso de destilación, se explica que es un azeotrópo y las diferentes técnicas que se pueden emplear para separar mezclas azeotrópicas, necesarias para poder producir etanol anhidro.
Además, dada la importancia de contar con un conocimiento del comportamiento de la mezcla azeotrópica que se desea separar, se incluye un breve análisis de las mezclas binarias que se forman y un análisis de la mezcla etanol – agua – benceno.
Capitulo 1 Fundamentos Teóricos
11 La base de la destilación es el equilibrio de de fases, es decir la relación que tienen entre si las substancias químicas que están en contacto íntimo. La destilación puede llevar a cabo la separación de componentes químicos solo si la composición de las fases liquida y vapor, que están en equilibrio entre ellas, son diferentes. Un conocimiento razonable del equilibrio de fases es necesario para el análisis, diseño, y control de las columnas de destilación.
1.1 La destilación.
El objetivo general de la destilación consiste en separar los compuestos que tienen diferentes presiones de vapor a una determinada temperatura [3]. La destilación, se refiere a la separación física de una mezcla líquida en dos o más fracciones que tienen distintos puntos de ebullición.
Si se calienta una mezcla líquida de dos materiales volátiles, el vapor que se separa tendrá una mayor fracción molar del material de menor punto de ebullición. Y así mismo el líquido tendrá una fracción molar mayor del material de mayor punto de ebullición. Considerando a la inversa, si se enfría un vapor caliente, el material de mayor punto de ebullición tiende a condensarse en mayor proporción que el material de menor punto de ebullición.
El objetivo de la destilación es separar, mediante vaporización, una mezcla líquida de substancias volátiles miscibles en sus componentes individuales, o bien, en algunos casos, en grupos de componentes.
La destilación se puede realizar en la práctica siguiendo dos métodos fundamentales [4]: El primero se basa en la producción de un vapor mediante la ebullición de la mezcla líquida que se desea separar, procediendo posteriormente a la condensación del vapor sin que nada del líquido retorne al rehervidor o se ponga en contacto con el vapor [4]. El segundo método se basa en el retorno de parte del condensado a la columna, en condiciones tales que el líquido que desciende se pone en contacto con el vapor que va hacia el condensador [4].
Ambos métodos pueden ser llevados a cabo en forma continua o discontinua [4].
El equipo que se utiliza para realizar una destilación es la columna de destilación o columna fraccionaria o combinaciones de ellas.
1.1.1 Columna de destilación o Columna fraccionaria.
Una columna de destilación consiste en un recipiente vertical con suficiente altura para que en su espacio interior hagan contacto las corrientes de vapor y el líquido con el propósito de que se efectúe una transferencia de masa entre las dos fases. El contacto de las dos fases en general se lleva a cabo mediante una serie de platos o etapas [4].
En condiciones normales de operación, una cierta cantidad de líquido se aloja en cada plato y existen dispositivos internos (empaques, válvulas o cachuchas) para que los vapores ascendentes pasen a través del líquido y hagan contacto con él. El
Fundamentos Teóricos
líquido desciende y fluye del plato superior al plato inferior, y el vapor se eleva desde una etapa baja hasta la etapa siguiente superior, realizando en cada una de las etapas una transferencia de masa provocada por una transferencia de calor entre las corrientes vapor y liquida en contacto, como se muestra en la figura 1.
Figura 1: Diagrama básico de una columna de destilación [4].
El requisito fundamental de una columna de destilación [5] es que proporcione una superficie de contacto para la transferencia de masa entre el líquido y el vapor a la velocidad deseada. Existen columnas de platos en las cuales el líquido fluye a contra corriente descendiendo por el mismo orificio por el cual se eleva el vapor. A medida que el vapor asciende por la columna, los componentes con punto de ebullición más alto comienzan a condensarse, mientras que los materiales con punto de ebullición inferior ascienden a las etapas más altas. Así se establece un gradiente de temperatura, y se alcanza la temperatura mas alta en la parte inferior de la columna y la temperatura mas baja en la parte superior, de donde se puede retirar la solución con punto de ebullición mas bajo.
Cuando dos componentes siguen la ley de Raoult, la proximidad de sus puntos de ebullición determina la cantidad de platos teóricos necesarios para la separación. Si los puntos de ebullición están bastantes separados bastan pocos platos, mientras que cuando los puntos de ebullición están muy cercanos se requieren muchos platos teóricos.
Aunque en ocasiones se emplea la palabra equilibrio para referirse a la columna en operación, es mas correcto decir que la columna se encuentra en estado estable; pues en un sentido termodinámico, ni se establece un equilibrio verdadero en toda ella, ya que no existe una temperatura uniforme y hay un flujo a contracorriente de liquido y vapor, que es otra condición que no permite el equilibrio.
1.1.2 Azeotrópos.
La separación simple de dos substancias se relaciona con líquidos que forman una mezcla que se comporta idealmente como el que se ve en la figura 2.
Capitulo 1 Fundamentos Teóricos
13
Figura 2: Mezcla binaria con comportamiento ideal.
Sin embargo, existen mezclas que no siguen la ley de Raoult (no ideales), como es la que se muestra en la figura 3, a este tipo de mezcla en particular se le denomina azeotrópo.
Figura 3: Mezcla binaria no ideal, azeotrópica.
Un azeotrópo 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 [6].
Un azeotrópo 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
Fundamentos Teóricos
embargo existen técnicas de destilación que permiten separar mezclas azeotrópicas.
1.1.3 Destilación azeotrópica.
El proceso de destilación utilizado para separar azeotrópos se conoce como destilación azeotrópica, sin embargo, en algunas mezclas el azeotrópo puede superarse modificando la presión a la que se encuentra, es decir, verificar su sensibilidad a la presión [6].
Esto se comprueba si la composición azeotrópica cambia en una cantidad razonable con cambios moderados de presión; si el azeotrópo desaparece entonces una secuencia de destilación relativamente directa puede lograr la separación de la mezcla original en sus componentes puros.
Si la mezcla azeotrópica no es sensible a la presión, será necesario agregar un tercer componente, al que le referirá como agente separador o simplemente separador, para hacer posible la separación de la mezcla.
Los agentes separadores pueden clasificarse en al menos cuatro distintas categorías [6], las cuales pueden identificarse por la forma en la que estos hacen posible la separación:
o Agente separador líquido que no induce una separación de fases liquidas en la mezcla ternaria. La destilación de este tipo se conoce como destilación azeotrópica homogénea, con la clásica destilación extractiva como un caso especial.
o Agente separador líquido que induce una separación de fases liquidas en la mezcla ternaria. Una destilación de este tipo se le conoce como destilación azeotrópica heterogénea.
o Agente separador que reacciona con uno de los componentes de la mezcla binaria original, conocidos como separadores reactivos.
o Agente separador que ionicamente se disocia en la mezcla original binaria y mueve la composición del azeotrópo binario. Un ejemplo son las sales inorgánicas. A esta se le conoce como destilación extractiva con sales. Que un determinado agente separador sea eficaz o ineficaz en la separación de una mezcla azeotrópica, dependerá en gran medida del ambiente de equilibrio de fases de la mezcla ternaria o de la mezcla multicomponente resultante.
Por lo que la eficacia de un agente separador es una propiedad termodinámica intrínseca de la mezcla y no de los componentes individuales.
Por lo tanto lo primero que se debe hacer es estudiar la estructura y propiedades de los diagramas de fase de las mezclas azeotrópicas que se forman.
1.2 Estado del arte de la deshidratación de etanol.
La destilación aplicada a la obtención de etanol anhidro es tan antigua como la de los mismos combustibles de origen fósil y los motores de combustión interna. Henry Ford
Capitulo 1 Fundamentos Teóricos
15 como combustible. De 1920 a 1924, la Standard Oil Company comercializó un 25 % de etanol en la gasolina vendida en el área de Baltimore. Sin embargo, los elevados precios del maíz, junto con las dificultades de almacenamiento y transporte, hicieron abandonar el proyecto [7].
A finales de la década de los veinte y durante la década de los treinta, se hicieron esfuerzos para recuperar sin éxito esta iniciativa. A raíz de esta decaída en la utilización del etanol, Henry Ford y diversos expertos unieron fuerzas para promover su recuperación. Se construyó una planta de fermentación en Atchinson (Kansas) con un potencial para producir 38,000 litros diarios de etanol para automóviles. Durante los años treinta, más de 2,000 estaciones de servicio en el mediano oeste vendieron este etanol hecho de maíz al que denominaron “gasol”. No obstante, la competencia de los bajos precios del petróleo obligó al cierre de la planta de producción de etanol a mediados de los años cuarenta. Como consecuencia, se acabó el negocio de los granjeros americanos y el etanol fue sustituido definitivamente por el petróleo [7].
Para reducir la producción de contaminantes generados por uso de combustibles fósiles, sobre todo en el uso de los automóviles, se plantea como una de las alternativas es el uso del etanol como combustible o aditivo oxigenante para la gasolina. Esta tecnología es dominada principalmente por brasil y E.U.A. quienes son los mayores productores de etanol, entre otros [8][9].
Las investigaciones relacionadas con la producción de etanol se enfocan a varios temas como son: la materia prima para producir etanol, la predicción del equilibrio de fases de la mezcla etanol – agua - separador, el desarrollo de secuencias de proceso para producir etanol anhidro, la selección de agentes separadores y el desarrollo de estructuras de control eficientes para el proceso de deshidratación.
La materia prima de donde se puede obtener el etanol es materia vegetal con alto contenido de sacarosa, almidón o celulosa. Estas sustancias son abundantes en vegetales como la caña de azúcar, remolacha, maíz, papa, residuos agrícolas, etc., estas investigaciones son principalmente a nivel local, para aprovechar desperdicio de materia vegetal o para explotar un cultivo que es abundante en alguna localidad en particular [8] [9] [10] [11].
Otros proyectos están enfocados al desarrollo de técnicas para la deshidratación del etanol como la destilación azeotrópica heterogénea, la pervaporación y separación con sales [12].
En el caso especifico de la destilación azeotrópica heterogénea, que es nuestro tema de estudio, las investigaciones son acerca de los diferentes agentes separadores existentes analizando sus capacidades de separación con diferentes mezclas azeotrópicas especificas y la concentración optima de este, el benceno, ciclohexano, glicerol, Acetato de etilo, entre otros [13] [14].
En el trabajo de Meirelles [15], se relata la investigación sobre destilación extractiva, utiliza una planta piloto para producir etanol anhidro, donde se obtiene los perfiles de concentraciones a diferentes concentraciones de alimentación del separador y razones de reflujo, de una destilación extractiva utilizando etilenglicol como agente separador.
Fundamentos Teóricos
Complementa sus resultados con una simulación utilizando la ecuación NRTL para describir el equilibrio de fases, produciendo etanol con una pureza de 99.5% mol.
Müller [16] en su estudio separa la mezcla de etanol-agua utilizando como separador al ciclohexano, explicando que el proceso es altamente sensible a perturbaciones en los parámetros del proceso, realizando un análisis dinámico a través de un modelado, simulación y estudios experimentales.
En otro estudio de Müller [17] se verifica de forma experimental la existencia de múltiples estados estables en la destilación azeotrópica heterogénea, implementando una deshidratación de etanol usando también el ciclohexano como separador.
Beckley [18] compara un conjunto de secuencias para deshidratar etanol por una destilación azeotrópica heterogénea usando el benceno como separador con el apoyo del software ASPEN PLUS llamado Distil y otro llamado Hysys, con el objetivo de validar un procedimiento para realizar comparaciones preliminares, de estas secuencias, la primera de dos columnas y la segunda de tres columnas, los parámetros para la comparación fueron el número de platos y un factor que toma en cuenta el caudal de vapor total del sistema.
Dentro del área de estudio del equilibrio de fases se encuentra el trabajo de Fang-Zhi et al [19] donde discute cómo predecir el equilibrio vapor-liquido (VLE) y Vapor- Liquido-Liquido (VLLE) de una destilación azeotrópica heterogénea de una forma mas precisa y propone un algoritmo de simulación de una destilación de tres fases.
El control del proceso de destilación azeotrópica heterogénea es un tema bastante extenso, principalmente por el interés en la complejidad del proceso por su sensibilidad a perturbaciones pequeñas, por lo que un control eficiente es un tema de estudio importante. Como se explica por ejemplo en:
El trabajo de Chien [20] explica la complejidad del control de una destilación azeotrópica heterogénea y estudia de forma experimental las estrategias de control convencionales para una columna de destilación azeotrópica heterogénea equivalente a la de la separación del etanol.
Dentro del control convencional también encontramos el trabajo de Gil [21] en el cual se realiza el control proporcional de una columna, controlando el acumulador de reflujo y el re hervidor. Usando el criterio de pendiente, análisis de sensibilidad y descomposición. Otros trabajos están enfocados a la búsqueda de las variables mas importantes a controlar como el estudio de Rovaglio et al [22], donde se controla una destilación azeotrópica heterogénea para deshidratar etanol, considera que la cantidad de separador y el perfil de composición son críticos para un control estable, utiliza el benceno como separador. Y en la patente de Shinskey [23] donde realiza el control de dos columnas de destilación, una produce un etanol azeotrópico a una concentración preestablecida que es tratada en la segunda columna, donde se controla la temperatura y el control de flujo de producto, para controlar la cantidad de separador en la mezcla.
Capitulo 1 Fundamentos Teóricos
17 Un control mas elaborado se aborda en trabajos como el de Cristea et al [24] quien presenta una alternativa aproximada al control predictivo no lineal basada en una linealización iterativa de la respuesta del modelo, de manera que las respuestas en lazo cerrado sean las mismas que las obtenidas con el método no lineal pero con un tiempo de cálculo mucho menor, implementado en un proceso de destilación de etanol. Y el de Rovaglio [25] considera que la concentración del separador y el perfil de composición son elementos críticos para mantener la calidad del producto y plantea el desarrollo de una estructura avanzada de control basada en una estrategia de realimentación no lineal hacia delante, este desarrollo está basado en un modelo dinámico riguroso para el caso de la deshidratación del etanol con el benceno como separador.
Por ultimo Luyben en [1], nos presenta una simulación dinámica de un proceso de destilación azeotrópica heterogénea para obtener etanol anhidro utilizando el modelo de equilibrio UNIQUAC, proporcionando un diagrama de flujo del proceso, la configuración del equipo y una breve descripción de los lazos de control.
Sin embargo, la mayoría concluye en prácticamente lo mismo, el proceso de destilación de etanol anhidro es una tarea compleja, donde la concentración del agente separador, encargado de romper o mover el azeotrópo, es uno de los principales problemas de control, provocando una alta sensibilidad de proceso; que la separación de la mezcla etanol-agua-benceno presenta multiplicidad de estados, confirmados por simulación, de forma matemática (de acuerdo al análisis matemático de la termodinámica de la mezcla [26]) y de forma experimental.
Estos trabajos son solo parte de las publicaciones encontradas, en general se puede concluir que la simulación del proceso de producción de etanol anhidro por destilación azeotrópica heterogénea es una tarea complicada, por presentar un comportamiento altamente sensible y multiplicidad de estados. Y por lo tanto el establecimiento de una estructura de control es un problema desafiante.
Así también, el desarrollo de una secuencia de proceso es muy complejo y requiere de conocimientos avanzados sobre procesos químicos y termodinámicos. Por esta razón se elige una secuencia de proceso ya desarrollada, con el fin de enfocar nuestros esfuerzos al desarrollo de técnicas de control más complejas.
Por lo tanto, las referencias que arrogan información importante para nuestro proyecto son:
Luyben [1], donde se proporciona mucha información sobre una secuencia de proceso para producir etanol anhidro por destilación azeotrópica heterogénea utilizando al benceno como separador.
Brandani [30], donde se proporciona información suficiente para validar el modelo de equilibrio de fases que se utilice en la simulación del proceso.
Stephanopoulos [35], que contiene la teoría necesaria para configurar controladores. Garduño [36], Driankov [37] y Wang [38], con la teoría necesaria para desarrollar un modelo de un controlador avanzado como es un controlador difuso normalizado.
Fundamentos Teóricos
Y adicionalmente, la información necesaria para poder utilizar eficientemente a la suite de ingeniería de Aspen™, que puede ser encontrada en los múltiples manuales de usuario de los paquetes que la integran.
Por todo lo anterior, se puede decir que el presente trabajo se ubica en el estudio del problema de control que representa el proceso de producción de etanol anhidro por destilación azeotrópica heterogénea utilizando al benceno como separador, implementando una técnica avanzada de control; como es el control por lógica difusa.
1.3 Descripción del comportamiento de la mezcla Etanol - Agua - Benceno.
Como se ha explicado anteriormente, es importante contar con un conocimiento suficiente del equilibrio de fases de la mezcla para poder llevar a cabo la separación de la mezcla en un proceso de destilación azeotrópica heterogénea. Por lo que es fundamental conocer como se comporta la mezcla, para conocer la complejidad del problema.
La mezcla que se pretende separar es la mezcla etanol-agua, esta forma un azeotrópo que evita que la pureza de etanol supere el 89.9 % molar, a una presión de 1 atm, que es una concentración aproximada de 96 % volumétrico (alcohol comercial).
Para superar el azeotrópo se agrega una tercera sustancia a la mezcla: el benceno. El benceno altera las propiedades del agua dentro de la columna, volviendo al agua muy volátil.
1.3.1 Comportamiento de las mezclas binarias.
A continuación analizaremos el comportamiento de las mezclas binarias que se forman con los componentes que intervienen en el proceso.
1.3.1.1 Agua-Benceno.
La mezcla agua benceno forma dos fases con miscibilidad parcial que se separan a temperatura ambiente [1].
El grafico de equilibrio de fases es complejo, figura 4, esta mezcla forma dos fases, una acuosa (miscibilidad parcial de ambas) y otra orgánica, por lo que posibilita la existencia de dos diferentes concentraciones a la misma temperatura.
En la parte central de la figura puede observarse lo que se puede considerar como un azeotrópo. Esto entre los puntos de pureza del 30% mol y 65% mol.
Capitulo 1 Fundamentos Teóricos
19
Figura 4: Comportamiento del Agua en la mezcla Agua-Benceno a 1 Atm, figura generada en Aspen™.
1.3.1.2 Etanol-Agua.
Esta es la mezcla original a separar, el etanol forma un azeotrópo con el agua, ver figura 5, que limita la pureza del etanol obtenido de un proceso de destilación convencional a 89.9% mol [1].
Es por esta razón que no se puede obtener etanol por medio de una separación simple.
Figura 5: Comportamiento del Etanol en la mezcla Etanol-Agua a 1 Atm, figura generada en Aspen™.
Fundamentos Teóricos
Para superar este azeotrópo, se debe agregar un agente separador, en este caso el benceno.
1.3.1.3 Etanol-Benceno.
En esta mezcla aparece otro azeotrópo [1], que se observa en la parte baja de la figura 6, en una concentración de 44.5% mol. Este azeotrópo agrega aun mas la complejidad de la separación, como se vera en el análisis ternario.
Figura 6: Comportamiento del Etanol en la mezcla Etanol-Benceno a 1 Atm, figura generada en Aspen™.
1.3.2 Comportamiento de la mezcla ternaria Etanol-Agua-Benceno.
Nuestro análisis ternario inicia con la búsqueda de todos los azeotrópos presentes en la mezcla, utilizando la herramienta de Aspen Split™, parte de la suite de ingeniería de Aspen™.
Los azeotrópos localizados se muestran en la figura 7.
Estos azeotrópos no son iguales a los que se presentan en los gráficos binarios, dada la presencia del tercer componente.
Capitulo 1 Fundamentos Teóricos
21
Figura 7: Azeotrópos presentes en la mezcla Etanol-Agua-Benceno, datos obtenidos en Aspen™.
Fundamentos Teóricos
Los cuatro azeotrópos ( ) se muestran en la figura 8, estos definen las fronteras de la destilación, estás a su vez generan las áreas en donde una destilación puede moverse, es decir que una sola columna de destilación solo puede obtener productos dentro de la misma área donde se localicen las concentraciones de la mezcla alimentada.
Por lo anterior se puede observar que el proceso de deshidratación de etanol no puede realizarse en una sola columna, pues nuestra alimentación ( ) se encuentra en la zona numero 1 y nuestro producto ( ) se encuentra en la zona numero 2.
Capítulo 2
Proceso de deshidratación de
etanol: Estado Estable.
En este capitulo se explicará el proceso de destilación azeotrópica heterogénea y la configuración propuesta por Luyben en [1] para producir etanol anhidro.
Se describe la simulación del proceso de producción de etanol en estado estable y el equipo que integra la secuencia.
También se discute como se seleccionó el modelo de equilibrio de fases utilizado en la simulación de acuerdo a un análisis de datos experimentales del comportamiento de la mezcla ternaria Etanol – Agua - Benceno y los problemas inherentes a la implementación y simulación de procesos complejos como este, tales como: la multiplicidad de estados y la alta sensibilidad a pequeñas perturbaciones en la presión y temperatura de operación.
Capitulo 2 Proceso de deshidratación de etanol: Estado Estable.
25
2.1 Proceso de deshidratación de etanol por destilación azeotrópica heterogénea.
Los orígenes de este proceso se remontan a más de un siglo cuando fue necesaria la producción de etanol de alta pureza. El etanol es ampliamente producido por el proceso de fermentación. Una mezcla típica obtenida por fermentación contiene concentraciones muy bajas de etanol, de 4% molar a un 6% molar [1].
Figura 9: Proceso de deshidratación de etanol por destilación azeotrópica heterogénea, según la descripción en [1].
Si esta mezcla se alimenta a una columna de destilación, columna 1, que opere a presión atmosférica, se puede producir agua de alta pureza, pero el etanol destilado no puede alcanzar una concentración superior a 89.99% molar, esto ocurre por la presencia de un azeotrópo en la mezcla etanol-agua, como se explico en el capitulo 1.
El benceno trabaja como un separador ligero que al evaporarse se lleva al agua con él, gracias a miscibilidad parcial que existe entre ellos. Por esto el benceno vuelve al agua muy volátil.
El etanol sale por la parte baja de la columna 2, a pesar de que el agua es más pesada, el punto de ebullición normal del etanol es de 351.5K, mientras el del agua es de 373.2K. El vapor que sale de la columna es una mezcla ternaria, compuesta por agua, etanol y benceno. Cuando esta se condensa, la repulsión entre las moléculas de agua y las moléculas orgánicas del benceno es tan grande que se forman dos fases liquidas.
Por esta razón, el tanque de reflujo se convierte en un decantador, la fase liquida mas ligera es bombeada de regreso a la columna como un reflujo orgánico y la fase liquida acuosa, mas pesada, contiene cantidades significativas de etanol y benceno por lo que es alimentada a una tercera columna de destilación, columna 3, en donde el agua es extraída por la parte baja y el destilado se recicla hacia la segunda columna.
1 2 3
Etanol 4%-6% mol
Agua EtOH Agua Separador
Proceso de deshidratación de etanol: Estado Estable.
2.2 Configuración propuesta por Luyben [1].
Luyben retoma esta idea para producir etanol anhidro, Sin embargo, su configuración no toma en cuenta a la columna de preconcentración, iniciando a partir de la columna azeotrópica, columna 2 de la figura 9, y propone la secuencia conceptual que se presenta en la figura 10.
Figura 10: Secuencia conceptual [1].
Esta secuencia se alimenta con una mezcla cercana al azeotrópo de etanol-agua, con un concentración de 84% mol de etanol y 16% mol de agua.
Los productos que deseamos obtener de este proceso es agua que se obtendrá en la parte baja de la segunda columna, denominada C2, otro producto que obtendremos es etanol de alta pureza, en la parte baja de la primera columna, denominada C1.
Como se mencionó en el capitulo 1, la alimentación y el etanol se encuentran en regiones diferentes del diagrama ternario, al existir una frontera de destilación entre ellos, por lo tanto no se puede alcanzar la separación en una columna de destilación simple, por esta razón se agrega un decantador que nos ayudara a cruzar la frontera y la segunda columna para alcanzar la pureza de etanol deseada.
El funcionamiento es el siguiente, se alimenta al proceso una mezcla de etanol-agua al 84% mol de etanol, en la primera columna (C1) existe una concentración alta de benceno, esto provoca que el agua sea muy volátil, el etanol de alta pureza es obtenido
Capitulo 2 Proceso de deshidratación de etanol: Estado Estable.
27 cerca del punto azeotrópico ternario, esta mezcla es enfriada en el intercambiador de calor y entra al decantador.
En el decantador se producen dos fases, una acuosa y otra orgánica, esta última es recirculada a la columna C1. La fase acuosa, con altas concentraciones de etanol y agua, es alimentada a la segunda columna (C2).
Aproximadamente un 50% molar de la alimentación a la columna C2 es etanol y un 30% molar es agua, en la columna C2 se vuelve a concentrar el etanol hasta aproximadamente un 60% molar. El destilado ternario obtenido es reciclado a la columna C1 para seguir extrayendo etanol, pues todavía contiene una gran cantidad de etanol, y en el fondo de la columna se obtiene agua de alta pureza.
2.3 Simulación del proceso de deshidratación de etanol: Estado Estable. 2.3.1 Software de simulación Aspen Plus™.
Aspen Plus™ es el sistema de simulación de estado estable de Aspen Tech™, este puede ser utilizado para el modelado de una gran variedad de procesos industriales, incluyendo procesos químicos, petroquímicos y refinerías. Aspen Plus™ incluye una amplia librería de modelos de unidades de operación que permiten una fácil interconexión para construir modelos de proceso personalizados.
Aspen Plus™ fue desarrollado en el MIT por L. Evans. Orientado a la industria de proceso, Química y Petroquímica, es el simulador que posiblemente sea el más extendido en la industria.
Para implementar este proceso propuesto en la suite de simulación de Aspen Plus™, es necesario saber manejar cuatro componentes de esta:
o Aspen Plus™: orientado al diseño y simulación de procesos en estado estable.
o Aspen Dynamics™: orientado a la simulación dinámica de procesos, así como el control del mismo.
o Aspen Split™: para la predicción del equilibrio de fases.
o Aspen Custom Modeler™: para desarrollar modelos del equipo que integra un proceso y aplicarlos a la simulación, optimización y control de procesos continuos, por lotes o semi-continuos.
2.3.2 Construcción de la secuencia.
El proceso está compuesto de: o 2 columnas de destilación.
o Columna C1, es el corazón del sistema, de 31 etapas, no tiene condensador.
o Columna C2, de 22 etapas, tiene condensador y rehervidor. o 1 decantador.
o Cilíndrico horizontal, dimensiones: 4mx2m. o 1 intercambiador de calor.
Proceso de deshidratación de etanol: Estado Estable.
o 1 mezclador. o 5 bombas. o 8 válvulas.
Posteriormente se darán detalles de cada uno de los equipos mencionados.
2.3.2.1 Diagrama de flujo: Selección de equipo e interconexión.
o Columnas de destilación.
Se utilizaran columnas del modelo “RadFrac”, estas son especificadas en [1], pero de acuerdo con [27], es un modelo riguroso para la simulación de todo tipo de operaciones de separación vapor-liquido de múltiples fases, estas operaciones incluyen:
o Destilación ordinaria. o Absorción.
o Stripping.
o Destilación Azeotrópica y extractiva.
Se selecciona la ficha “Columns” donde seleccionamos el modelo “RadFrac”.
Figura 11: Localización de los modelos RadFrac en la interfaz de Aspen™.
o Decantador.
El modelo “Decanter” simula decantadores y otros separadores de una sola etapa que no incluyan una fase vapor. Cuando se las condiciones de salida, este modelo determina las condiciones térmicas y de fase de la mezcla de una o varias corrientes de entrada.
Si existen dos fases liquidas en el decantador, el modelo decantador denomina a la fase con una densidad mas alta como la segunda fase. Los datos más importantes para configurar a este modelo son:
o Dimensiones.
o Presión de operación.
o Perdidas de calor (adiabático o no adiabático).
