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UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIASEDE BOGOTÁ

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROCESO DE DESTILACIÓN EN UNA TORRE TIPO BATCH PARA LA OBTENCIÓN DE ETANOL CARBURANTE

INTEGRANTESDEISY CAROLINA VELANDIA SEGURA 244849GERARDO ESTEBAN RODRÍGUEZ CUY 245134ANDRÉS DAVID GAMBOA CÁCERES 244627CRISTIAN CAMILO ORTIZ YARA 244799LAURA MILENA RODRÍGUEZ NEIRA 245113

DOCENTEALFONSO MARTÍNEZ ANDRADE

LABORATORIO DE OPERACIONES DE SEPARACIÓN, REACCIÓN Y CONTROL

18 DE ABRIL DE 2023

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Tabla de contenidoPROCESO DE DESTILACIÓN EN UNA TORRE TIPO BATCH PARA LA OBTENCIÓN DE ETANOL CARBURANTE...................................................................................................1

RESUMEN.....................................................................................................................................3

INTRODUCCIÓN............................................................................................................................3

METODOLOGÍA EMPLEADA..........................................................................................................3

MATERIALES.........................................................................................................................3

DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS...................................................................................................3

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO.................................................................................................3

DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PROCESO.......................................................................................3

RESULTADOS OBTENIDOS............................................................................................................3

CALCULO DE RESULTADOS...........................................................................................................3

ANÁLISIS DE RESULTADOS............................................................................................................3

CONCLUSIONES............................................................................................................................3

SUGERENCIAS Y RECOMENDACIONES..........................................................................................3

BIBLIOGRAFÍA...............................................................................................................................3

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RESUMEN

INTRODUCCIÓN El etanol carburante según la normatividad colombiana NTC 5308 corresponde a alcohol etanol anhidro obtenido a partir de biomasa que posee un contenido de agua inferior al 0,7% en volumen [1].

En Colombia es importante la producción de este etanol para la disminución de la contaminación a la atmosfera, pilar la crisis de los hidrocarburos y aumentar el índice de empleos entre otros [2], todo el territorio colombiano es apto para producir la biomasa necesaria para el establecimiento de refinerías productoras de alcohol, el etanol carburante, pues se ve favorecido por la ubicación en la franja ecuatorial y la variedad de climas. Aunque también es posible obtener etanol mediante la hidratación de etileno.

Es así como este producto tiene gran importancia actualmente, pues por las características que le confiere a la gasolina al ser mezclados, tales como una mejor combustión y menor emisión de gases, ha hecho de este un producto de interés.

Es así como la empresa Petrobras está interesada en el desarrollo de un proyecto para obtener alcohol carburante, el punto de partida para este proceso es la obtención de un mosto con una concentración del 18%v/v en la primera sesión de destilación y un 20%v/v en la segunda, teniendo la posibilidad de concentrarlo aún más en los evaporadores ya instalados en la planta, es así como se planea realizar la destilación del mosto en dos etapas, de manera que con la primera se llegue a la composición azeotrópica del sistema agua-etanol (o bien, tan cerca como sea posible), mientras que la segunda disponga de una torre de lecho fijo que permita obtener el alcohol anhidro.

Para la primera etapa considerada, se cuenta con tres equipos en planta ya diseñados. Sobre éstos, la compañía ha solicitado a la Universidad Nacional de Colombia realizar la evaluación correspondiente, con el fin de optimizarlos en función de los requerimientos planteados, proporcionando como información las condiciones teóricas máximas que permite el equipo, contrastada con los resultados de dos corridas experimentales diferentes en los equipos, cada uno trabajando a reflujo constante.

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METODOLOGÍA EMPLEADA

MATERIALES

DESCRIPCIÓN DE EQUIPOSEl equipo empleado en el proceso de destilación consta principalmente de:

Calderín:

Su función es calentar la mezcla de trabajo.

Es un tanque que está hecho en cobre y tiene una capacidad máxima de 100L, tiene un diámetro de 0,6m y 0,65m de alto. Consta de un aislamiento térmico hecho de lana de vidrio y lona. Y en la parte superior posee un manómetro para conocer la presión interna del mismo.

Para su llenado con la mezcla de trabajo tiene una boquilla y a la vez posee un tubo vertical para poder apreciar el nivel del mismo.

En la parte interna se encuentra un serpentín (de cobre) por el cual circula el flujo de vapor que calienta la mezcla de trabajo, la tubería de vapor que llega al calderín tiene recubrimiento térmico y consta de una válvula para manipular el flujo y un manómetro.

Ilustración 1 calderín del equipo de destilación batch

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Ilustración 2 parte inferior (a) y superior (b) del calderín con las respectivas entradas y salidas del mismo

Columna de rectificación:

Su función es verificar el contacto entre la fase vapor y la fase liquida para garantizar que el proceso sea efectivo en la concentración del componente más volátil.

Es una columna de platos de 3,6m con caperuzas de burbujeo, tiene un diámetro de 0.26, consta de cuatro secciones cada una con cinco platos con caperuzas y está aislada térmicamente con el mismo material que el calderín. Cada plato tiene una válvula de bola para su drenaje.

El plato superior (cima) tiene: entrada de líquido de reflujo y salida de vapores que ingresan al condensador.

El plato inferior (fondo) tiene: salida de líquido hacia el calderín, entrada de vapores del calderín, drenaje de líquido por la parte inferior y un indicador de nivel.

El equipo consta de dos termómetros ubicados en los extremos superior e inferior de la columna.

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Ilustración 3 columna de rectificación disponible para el procedimiento (a) y parte inferior con las entradas y salidas de fondo

Condensador:

Su función es condensar los vapores que ascienden por la torre.

Es un equipo de tubos y coraza hecho en cobre, donde los vapores circulan por la coraza y el agua de enfriamiento por los tubos. Se encuentra en posición vertical y su parte inferior está a la altura de la cima de la columna. El agua de enfriamiento ingresa por la parte inferior y los vapores a condensar entran por la parte superior.

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DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

Inicio de operación

Finalización del proceso de destilación

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Tratamiento de las muestras recolectadas

Las lecturas del índice de refracción de la primera sesión se realizaron con un refractómetro portátil, mientras que el de la segunda sesión se realizó con un refractómetro ubicado en el laboratorio de termodinámica.

DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PROCESO

RESULTADOS OBTENIDOS La práctica se divide en dos sesiones en las cuales la Torre de destilación Batch a evaluar opera bajo las condiciones mostradas en la Tabla 1.

Tabla 1.Condiciones de operación Torre de Destilación Batch evaluada

Descripción de Operación de la torre Primera sesión Segunda sesiónNúmero de platos 20 20

Volumen cargado (L) 70 55Composición residuo - -

Flujo de agua Condensador (ml/s) 470 470Temperatura entrada Condensador Cerca a 20 °C Cerca a 20°C

Temperatura Salida Condensador (°C) 40 35Presión Vapor de Calentamiento 4-5 3,7Flujo de Vapor de Calentamiento 2,8 ml/s 0,348 kg/minMáximo flujo de destilado (ml/s) 500 500

una vez enumradas las muestras de cada plato dejar reposar hasta que alcancen temperatura

ambiente

alistar un refractómetro, limpio seco

depositar dos gotas de la muestra a evaluar en el

prisma

esperar a que haga lectura y reportar el dato

con un algodon limpiar el prisma con cuidado

hasta que este completamente seco

tomar con el gotero otra muestra (purgando el gotero cada vez con la

muestra a evaluar)

realizar el mismo procedimiento

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En la primera parte de la práctica, se desean conocer datos que permitan evaluar la torre de destilación Batch; producto de esto se obtiene la Tabla 2.

Tabla 2. Datos recolectados primera sesión de evaluación de la Torre de destilación Batch

Tiempo de Operación (min)

Destilado #

Cantidad (ml)

Grado Alcohólico

Reflujo Aproximación Destilado total (L)

Grado Alcohólico

destilado total (aproximación)

11'00" 1 -- -- 0,00 0 0,0012'30" 2 200 86 - 2200 0,6517'59" 3 1000 93 122,56 3200 0,7419'00" 4 800 79 199,83 4000 0,7524'25" 5 240 65 1351,52 4240 0,7434'28" 6 800 45 13,30 5040 0,6935'45" 7 800 45 13,11 5840 0,6637'04" 8 800 60 16,58 6640 0,6538'21'' 9 800 50 41,64 7440 0,6440'15'' 10 800 25 39,16 8240 0,60

En la segunda parte de la práctica, el objetivo es realizar una destilación más controlada. De esta se obtiene la Tabla 3

Tabla 3. Datos Evaluación de la torre de destilación Batch segunda sesión

Tiempo de Operación (min)

Destilado # Cantidad (ml)

Grado Alcohólico

Reflujo Destilado total (L)

Grado Alcohólico destilado

total0'00''00 1 1000 70 21,53 - -

2'53'' 2 1000 70 17,97 - -3'51'' 3 1000 75 20,39 - -5'26'' 4 1000 83 48,80 10 717'58'' 5 800 82 49,15 - -9'30'' 6 1000 78 55,84 - -

12'00'' 7 1000 63 61,11 - -14'30'' 8 900 30 51,04 19,4 72

CALCULO DE RESULTADOSPara la determinación del flujo de vapor se grafican los datos de Peso del recipiente donde se recolecta el condensado vs tiempo. Esto genera la Figura 1.

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8 10 12 14 16 18 20 22 24 2602468

10121416

f(x) = 0.348 x + 5.26R² = 0.978539107950873

Tiempo (min)Pe

so a

gua

(kg)

Figura 1. Curva de masa de vapor recolectado vs tiempo. La pendiente de la recta indica el flujo de vapor en kg/min

Otro tratamiento matemático que se realiza a los datos es la determinación del reflujo; pues este no es una relación de caudales, sino de flujos molares. Para esto se debe hacer la conversión de flujos volumétricos a molares, mediante la relación mostrada en la ecuación 1.

F=Q(x−0,78946 +1−x18 ) (1)

Donde F es el flujo molar, Q el caudal y x la concentración v/v de la mezcla etanol-agua expresado como fracción.

El valor de reflujo se encuentra mediante la ecuación 2.

reflujo=Fdestilado máximo−Fdestilado

Fdestilado

(2)

Tabla 4 datos del índice de refracción encontrado en cada muestra obtenida de los platos en diferentes tiempos de operación

Datos Segundo Proceso de DestilaciónTiempo (min) # de plato η20

5,25 3 1,35402-- 8 1,33334-- 13 1,33313

8,48 18 1,3331410,05 3 1,33952

-- 8 1,33312-- 13 1,33298

13,3 18 1,3329618 3 1,33304-- 8 1,33296

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-- 13 1,332921,14 18 1,33288

Los datos mostrados en la tabla anterior fueron tomados de los platos especificado en ella, cada vez que se observó variación en el % de etanol en el destilado recolectado.

Tabla 5 datos tomados de la condensación del flujo de vapor utilizado en la operación

Tiempo (min)

Peso vapor condensado (Kg)

0 45 9

10 915 1020 12,425 14

Tabla 6 datos tomados para el flujo de agua que circula por el condensador

Flujo de AguaTiempo

(s)Volumen

(mL)3,09 8802,39 880

15,38 700013,76 650016,32 7800

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CALCULO DE RESULTADOS

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 191.32

1.325

1.33

1.335

1.34

1.345

1.35

1.355

1.36

Variación del indice de refracción del plato número tres de la torre

Tiempo (min)

Indi

ce d

e Re

frac

ción

Gráfica 1 datos de los índices de refracción de las muestras extraídos ciertos tiempo en el plato tres de la torre

4 6 8 10 12 14 16 18 20 221.33265

1.33271.33275

1.33281.33285

1.33291.33295

1.3331.33305

1.33311.33315

1.33321.33325

1.33331.33335

1.3334

Variación del indice de refracción con el tiempo en los platos

Plato #8Plato#13Plato#18

Tiempo (min)

Indi

ce d

e re

frac

ción

Gráfica 2 variación del índice de refracción a través del tiempo en los platos donde se extrajeron muestras

ANÁLISIS DE RESULTADOS

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En cuanto al IR hallado para las muestras de la torre en la segunda sesión tabla 4, se encuentra que el índice de refracción casi no presenta variación significativa posiblemente a partir del plato #8 en adelante, es decir en este caso los platos 8, 13 y 18. Según literatura el índice de refracción para el etanol es de 1,361 y para el agua es de 1.330 [3]. En las gráficas 1 y 2 se observa una tendencia decreciente a medida que aumenta el número del plato, es decir, a medida que se acerca al fondo de la torre de destilación, esto debido a que al inicio de la operación se da de manera rápida y efectiva la transferencia de masa del etanol, por ende este se va consumiendo en la operación haciendo que al final de la misma en el sistema de destilación haya poco etanol y poco transporte de masa. Además se observa que los índices de refracción cada vez se asemejan más al agua, esto indica una operación exitosa, pues se verifica que hay más cantidad de agua en la torre que el propio producto de interés dentro de la torre al final de la operación.

El cruce que se presenta en la gráfica 2 posiblemente es debido a un error en la medición del IR del refractómetro, pues para poder observar que tan confiables fueron esos datos se realizó al inicio y al final de la toma de índices de refracción de las muestras de la torre, un patrón con agua destilada, donde teóricamente tiene un valor de 1,333, es así como al inicio de la lectura de índices de refracción para el agua destilada se obtuvo una lectura de 1,3329 a 21,63°C y al final una lectura de 1,33282 a 22,11°C para la misma agua, además la lectura de la temperatura que daba el refractómetro resulto que cada vez iba aumentando más y con esta se observa una disminución en la lectura del IR.

CONCLUSIONES

SUGERENCIAS Y RECOMENDACIONES

Bibliografía

[1] Mayaguez, «Mayaguez,» [En línea]. Available: http://www.ingeniomayaguez.com/productos/alcohol-carburante. [Último acceso: 03 2015].

[2] Ecolife, «Ecolife,» [En línea]. Available: http://ecolife.co/index.php/ecotecno/105-el-abc-del-alcohol-carburante. [Último acceso: 03 2015].

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