Se enfriará el etanol producto de la segunda torre de destilación antes de su comercialización.
Se venderá el mismo a temperatura ambiente, por lo que se propone llevarlo de 78,11ºC a 30ºC. El agua de enfriamiento será proveniente de la torre de enfriamiento B:
Q = Wetanol Cetanol ΔTetanol
Se obtienen los datos de la corriente de etanol de UniSim:
Wetanol=16780 kg/h Cetanol=3,562 kJ/kg K T1=78,11ºC T2=30ºC
Q= 2,88*106 kJ/h
Se calcula entonces el caudal de agua necesario como Q = WH2O*CH2O*ΔTetanol
Q = 2,88*106 kJ/h CH2O=4,18 kJ/kg K T1=16ºC T2=36ºC
WH2O= 34397 kg/h
Se estima un valor de U con los valores propuestos por CAO en su libro para el sistema agua- solvente orgánico (U=500 J/s m2 K) y el ΔTMLse calcula como
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136 ΔTML=
( ) = 25,52ºC.
Se sabe que
Q=2,88*106 kJ/h U=1800 kJ/h m2 K ΔTML= 25,52ºC
Luego A=62,7 m2 7.13 CALDERA
Figura 7.24: caldera
La necesidad de la instalación de una caldera en la planta proviene de los requerimientos energéticos de los re-evaporadores de las tres torres de destilación. Como la temperatura más alta se encuentra en el fondo de la tercera columna, luego la temperatura del vapor debe ser mayor a 194,4 °C para que se genere una fuerza impulsora y haya intercambio de calor.
Se elige entonces que el vapor proveniente de la caldera madre estará saturado a 25 bares (223 °C) y alimentará a los intercambiadores de calor de los tres re-evaporadores del tren de destilación. Es una presión un tanto elevada, por lo que se implementarán los sistemas de seguridad necesarios de la caldera. Además, el agua a alimentar la misma debe estar previamente tratada para evitar corrosión, e incrustaciones en el equipo. Para ello, se deberá pasar el agua de alimentación por un filtro, para eliminar toda presencia de sólidos, y luego por una columna de intercambio iónico para el ablandamiento del agua. Finalmente, sí podrá ser bombeada hacia las calderas. El calor total a intercambiar es 2,107*108 kJ/h con lo cual, sabiendo que la entalpía de condensación del agua es 2195,21 kJ/kg, se deduce que el caudal total de vapor saturado a alimentar al tren de destilación es 95.981,7 kg/h
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137 Se elige trabajar con dos calderas marca Shong Doin Boiler, modelo SZS50-2.45-Y(Q) acuotubulares que generan 50 t/h de vapor (100.000 kg/h). Este equipo utiliza gas natural como combustible. El consumo total entre las dos calderas es 7756 Nm3/h
Para hallar el consumo energético en watts se realiza el siguiente cálculo teniendo en cuenta el calor de combustión del metano (891 kJ/mol), que es el compuesto en proporción mayoritaria en el gas natural.
Consumo = 7756 Nm3/h *(1 atm/ 0,082 atm m3/K kmol * 273 K) * 8,91*105 kJ/kmol * 1h/3600s
Consumo = 85.805,8 kW
Se calcula entonces el área de intercambio de calor de cada uno de los reboilers. Los datos de flujo de calor proporcionados por UniSim son los siguientes:
Qreboiler1= 1,375*108 kJ/h Qreboiler2= 6,284*107 kJ/h Qreboiler3= 1,04*107 kJ/h
Se cuenta con vapor a 223ºC, y se estima un U para agua-vapor de agua de 3000 J/s m2 K (10800 kJ/h m2 K). Se calcula el ΔTML=ΔT de cada uno de los re-evaporadores:
ΔTML1=
( ) = 123 ºC ΔTML2=
( ) = 97,26 ºC ΔTML3=
( ) = 38,01 ºC Luego
Areboiler1= 103,5 m2 Areboiler2= 59,82 m2 Areboiler3= 25,33 m2
7.13.1ANÁLISISDEIMPLEMENTACIÓNDEUNACALDERADEBIOMASA
Ante la iniciativa de diseñar una planta “verde” se analiza la posibilidad de no utilizar combustibles fósiles, sino materia lignocelulósica o biomasa de descarte de la planta. En una primera instancia uno analizaría la posibilidad de quemar la pulpa que es residuo del proceso de extracción por difusión. Según algunas fuentes el valor energético de los residuos pulposos no es suficiente para alimentar una caldera, por lo tanto, se descarta esta opción y se decide secarla y venderla como alimento de ganado ya que es un sólido rico en fibras celulósicas y carbohidratos.
Se sabe que de la primera torre de destilación se obtiene como residuo una solución de sacarosa diluida en agua que es producto de la sacarosa que no se ha convertido en etanol en
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138 el fermentador. Es así que, si se logra concentrar esta solución hasta una humedad del 40%, se obtendría un fluido viscoso capaz de generar energía mediante su quemado.
Se procede a hacer el balance energético para determinar si esta opción es viable.
En el residuo de la primer torre de destilación se tiene una corriente de 285.000 kg/h de agua con una relación másica de 0,02326 kg/kg H2O (equivalente a 2,1ºBrix), con lo cual se tiene una corriente de 6627,9 kg/h de sacarosa.
Para poder utilizar este residuo como combustible se lo debe concentrar hasta 60ºBrix con lo cual la cantidad el agua residual es de 4418,6 kg H2O/h a la salida del último efecto. Luego, para lograrlo se deben evaporar 280.581,4 kg H2O/h. Considerando una entalpía de vaporización de 2675 kJ/kg se obtiene que se necesitan proporcionar 7,5*108 kJ/h lo que equivale a 208.000 kW.
El calor de combustión de la vinaza es 3250 kcal/kg vinaza seca. Si la cadera fuera 100%
eficiente, el calor que brindaría la combustión de la vinaza es 2,15*107 kcal/h lo que equivale a 25.045 kW
Evidentemente, en estas condiciones no es viable utilizar la combustión de la vinaza para alimentar la caldera ya que se requiere más energía para concentrar la vinaza que lo que la vinaza proporciona.
Finalmente, se decide que la corriente azucarada de 2,1ºBrix primero precalienta la alimentación a la primera torre de destilación, luego se enfría y se utiliza parte en el difusor y otra parte como agua de riego como se había planteado anteriormente.
7.13.2ANÁLISISDELAPOSIBILIDADDECO-GENERARENERGÍA
Dado lo descrito en la sección 7.14.1 no es posible generar energía eléctrica a partir de residuos de la planta con lo cual la opción restante es comprarle energía eléctrica a alguna empresa distribuidora de este servicio.