P URIFICACIÓN DEL METANOL

La mayor cantidad de metanol utilizada en la planta es separada luego de los reactores por columnas de destilación flash como se explicó anteriormente. A su vez existe una pequeña contribución por parte de corrientes provenientes de los procesos de purificación del biodiesel y del glicerol (en las respectivas torres de destilación T-101 y T-108-2 que se presentarán más adelante). Este metanol total recuperado luego debe ser reingresado en los reactores a modo de reciclo para mantener el exceso de metanol propuesto para la operación de la planta y de esta forma poder lograr elevados niveles de conversión.

Al realizar la separación del metanol también se obtiene una determinada cantidad de agua en la corriente debido a que las materias primas (metanol y triglicérido) poseen un 0,1%

de humedad. Estas pequeñas cantidades no generan problema alguno en el proceso de producción de biodiesel, sin embargo, al recircular el metanol con el agua proveniente de la destilación flash, esta última se acumularía en el proceso alcanzando niveles peligrosos que comprometerían la reacción [2]. La inconveniencia de la acumulación de agua en el proceso se debe a que la misma puede hidrolizar al triglicérido dando ácidos grasos libres y ocasionando una disminución del rendimiento. Adicionalmente, se reporta que el agua puede afectar la naturaleza de los sitios activos del catalizador de aluminato de zinc y dificultar la adsorción de los reactivos en su superficie, e incluso propiciar la lixiviación y consecuente pérdida de catalizador [3].

Figura 6-2: Sección de flow-sheet donde se observa el arreglo utilizado para la destilación del metanol.

Por este motivo el metanol debe ser purificado permitiendo que exista una salida para que el agua que ingresa junto a la alimentación no se acumule indefinidamente a lo largo de la operación. La separación del agua se realiza por medio de una columna de destilación, la cual

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se diseñó con distintas condiciones de operación de modo tal de poder encontrar los parámetros óptimos de la misma.

Como se muestra en la Figura 6-2 las corrientes provenientes tanto de las columnas flash como del proceso de purificación de biodiesel y de glicerol se juntan en una única corriente en el mezclador MIX-105. En la Tabla 6-6 puede observarse la composición y caudal de cada una de las corrientes en el punto de mezcla. Se aprecia que la temperatura de la corriente principal (15), proveniente de los trenes de destilación flash, se reduce en casi dos grados en la corriente de salida (75), a costa de vaporizar las otras corrientes que ingresan en estado líquido.

Tabla 6-6: composición y caudal en el mezclador MIX – 105.

Nº corriente 15 55 74-2 75

Fracción de vapor 1,00 0,00 0,00 0,99

Temperatura (ºC) 66,27 64,89 36,93 64,37

Presión (kPa) 10,00 101,30 30,00 10,00

Flujo molar (kmol/h) 143,90 0,16 0,20 144,30

Flujo másico (kg/h) 4611,00 5,05 6,67 4623,00

La corriente 75 entra a continuación a la columna de destilación donde se obtiene como destilado el metanol que luego es recirculado hacia ambos reactores. Cabe destacar que el producto de fondo es el agua con algunas impurezas de glicerol, biodiesel y reactivos e intermediaros sin reaccionar. Debido a que prácticamente todo el caudal se obtiene como destilado la relación de reflujo tendrá un gran impacto en el consumo energético; por lo que se tratará de analizar la opción más conveniente teniendo en cuenta el nivel de remoción de agua así como los costos de construcción y operación que conllevaría la utilización del arreglo con tales condiciones.

Tabla 6-7: Comparación entre diferentes operaciones posibles de la columna de destilación de metanol T-105.

Luego de ser purificado, el metanol debe ser llevado a las condiciones de reacción por lo que se utiliza una bomba para elevar su presión hasta 50 bares y luego es calentado para alcanzar los 200 °C.

En un principio se propusieron los casos 1 a 4 presentados en la Tabla 6-7, en los cuales se utilizó una presión de 10 kPa, esto es, aproximadamente un décimo de la presión

Condiciones de operación Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 4

Presión (kPa) 10 10 10 10

Temperatura (°C) 64 64 64 15

Calor Reboiler (kJ/h) 4.894.000 4.894.000 4.894.000 10.930.000 Calor Condensador (kJ/h) -10.930.000 -10.930.000 -10.930.000 -10.930.000

Calor Cooler (kJ/h) 0 0 0 -6037000

Relación de reflujo 1 1 1 1

Número de platos 8 10 15 10

Agua (kmol/hora) 0,01567 0,00856 0,0019 0,00541

% agua remanente 9,4 5,2 1,1 3,3

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atmosférica. Esta elección se realizó porque una gran parte de la corriente ya estaba a esta presión mientras que otra fracción se encontraba a una presión levemente mayor pero también por debajo de la presión atmosférica.

En los casos 1, 2 y 3 la temperatura de entrada es 64 °C y se trabaja con una relación de reflujo de 1. La diferencia entre estos tres casos es la utilización de un número diferente de platos. Se puede observar que en todos estos casos el calor intercambiado en el reboiler es el mismo y que la cantidad de agua remanente en el destilado varía significativamente.

Como no se desea una remoción total del agua en la corriente sino un valor suficiente tal que no se produzca una acumulación de la misma, en un principio la primera opción sería la más indicada.

En lo que respecta al caso 4 se propusieron las mismas condiciones que en el caso 2 a excepción de que la entrada de la alimentación se realiza a la temperatura óptima del plato, empleando para ello un intercambiador de calor previo a la entrada a la torre, llevando la corriente a una temperatura de 15 °C. Al realizar esto se observa una mejora en el nivel de separación pasando de un 5,2% de agua remanente a un 3,3% de agua remanente en la corriente de metanol.

Esta propuesta en un principio resulta atractiva pero al observar los intercambios de calor realizados cabe destacar que se debe utilizar un equipo extra antes de la entrada en la torre y a su vez el consumo de energía en el reboiler aumenta en más de un 100% con respecto al caso 2. Es por este motivo que se decide descartar esta configuración.

A continuación se procede a analizar los cambios que produce modificar la presión de operación. Los resultados se muestran en la Tabla 6-8.

Tabla 6-8: Comparación entre diferentes operaciones posibles de la columna de destilación de metanol.

Condiciones de operación Caso 2 Caso 5 Caso 6

Presión (kPa) 10 101,3 101,3

Temperatura (°C) 97 64,5 64,5

Calor Reboiler (kJ/h) 4894000 9928000 9928000 Calor Condensador (kJ/h) -10930000 -9928000 -9928000

Relación de reflujo 1 1 1

Número de platos 10 10 15

Agua 0,00856 0,04505 0,01268

% agua remanente 5,2 27,1 7,6

Al llevar la alimentación a presión atmosférica se observa que aun entrando a una temperatura de 64,5 °C (temperatura óptima para la alimentación en esas condiciones) el porcentaje de agua remanente en la corriente de metanol es considerablemente elevado para una columna de 10 platos y que hasta con una columna de 15 platos no se puede igualar la eficiencia que se obtiene en el caso 2.

Al mismo tiempo, el aumento de presión conlleva a que se alcancen mayores temperaturas dentro de la torre teniendo como consecuencia un considerable aumento de un 100% en el calor intercambiado en el reboiler.

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Por estos motivos se concluye que la mejor opción es trabajar a baja presión donde se alcanza una mayor separación entre los componentes.⁵

Otro de los puntos a analizar es la variación en la relación de reflujo por lo que en la Tabla 6-9 se detallan las configuraciones probadas.

Tabla 6-9: Comparación entre diferentes operaciones posibles de la columna de destilación de metanol.

Condiciones de entrada Caso 2 Caso 7 Caso 8 Caso 9 Caso 10

Presión (kPa) 10 10 10 10 10

Temperatura (°C) 97 97 97 97 97

Calor Reboiler (kJ/h) 4894000 2162000 2162000 3528000 3528000 Calor Condensador (kJ/h) -10930000 -8196000 -8195000 -9561000 -9561000

Relación de reflujo 1 0,5 0,5 0,75 0,75

Número de platos 10 10 15 10 15

Agua 0,00856 0,04302 0,03267 0,01960 0,01033

% agua remanente 5,2 25,9 19,7 11,8 6,2

Se puede apreciar que para los casos 7 y, 8 al trabajar con una relación de reflujo de 0,5, la cantidad de agua remanente resulta elevada por lo que directamente se descartan estas configuraciones.

Las configuraciones de los casos 9 y 10 logran una remoción de agua aceptable y a su vez se puede observar un gran impacto en el calor necesario en el reboiler que se ve reducido en más de un 25% con respecto al caso 2.

Teniendo en cuenta todo lo mencionado se llega a la conclusión que la columna a utilizar es la correspondiente al caso 9, en la cual se consigue una remoción de agua aceptable y se minimizan los gastos energéticos y el número de platos necesarios para la separación.