BALANCES DE MASA Y ENERGIA.

Los balances tanto de masa como de energía están referenciados para la producción de 1 tonelada de Alcohol etílico; se consideran todas las materias primas e insumos necesarios para la producción y se identifican las corrientes de salida del proceso ya sean estas de producto principal, subproductos o corrientes residuales generadas en el proceso. De igual manera, el balance muestra la cantidad de calor necesaria en todas las etapas de producción.

Los datos presentados son calculados por el grupo de investigación del Convenio UIS - IDEAM a partir de la información bibliográfica y de campo.

BALANCE DE MASA.

En el balance de masa del proceso se consideran los consumos netos de los insumos necesarios para producir una tonelada de alcohol etílico rectificado. Este balance realizado por etapas del proceso, fermentación, destilación y rectificación, tiene en cuenta las corrientes de entrada, salida y conversiones de materiales con su respectiva eficiencia real.

Aplicando el principio de conservación de la materia se plantea el siguiente diagrama global y su consecuente balance del proceso:

Entra = Sale 

Corrientes de entrada : melaza, agua, sales nutritivas y vapor.

Corrientes de salida : alcohol 96%,C02, alcohol importable, aceite fussel, agua y vinazas.

De la composición media de las melazas de caña tomamos que estas contienen un 45 % de azúcares fermentables expresados como: C6H1206

Tomando como base de cálculo la producción de 1 Ton de alcohol etílico y conociendo la relación de cantidad de materia prima necesaria por unidad de producto obtenido:

0.25 litros de etanol / Kg. de melaza

por lo tanto, la cantidad de melaza consumida para el proceso de obtención de una tonelada de alcohol etílico es de 5 toneladas.

A partir de esta cantidad se calculan las corrientes del proceso por etapas como se describen a continuación.

Esterilización:

El principio fundamental de esta etapa, como se mencionó anteriormente, es el de desinfectar la materia prima para evitar que durante la fermentación se presente el crecimiento de bacterias que interrumpen la fermentación.

La cantidad de vapor utilizada en esta etapa es tomada del balance de energía debido a que este es utilizado para llevar la temperatura de la melaza hasta 105ºC, temperatura óptima para una buena esterilización.

Así el vapor consumido es de 0.4503 toneladas por toneladas de alcohol etílico.

Corrientes de entrada :: melaza, vapor.

Corrientes de salida : melaza esterilizada.

Entonces melaza + vapor = Melaza esterilizada

5 Ton + 0.4503 Ton = 5.4503 Ton de melaza esterilizada

Clarificación:

En la clarificación o dilución, la cantidad de agua que se adiciona en esta etapa debe ocurrirse hasta que el mosto haya alcanzado una concentración de azúcares de 15%.

De esa manera, el total de agua necesaria para en esta etapa la aporta el vapor adicionado para la esterilización, y agua clarificada, completando así la totalidad de mosto que entra a fermentación.

Corrientes de entrada :: melaza esterilizada, agua.

Corrientes de salida : mosto.

Melaza + Agua = Mosto

5.4503 Ton + 14.7497 Ton = 20.2 Ton de Mosto.

La cantidad de mosto a fermentar para producir una tonelada de alcohol etílico rectificado es 20.2 toneladas.

Fermentación :

Corrientes de entrada :: agua, melazas y nutrientes.

Corrientes de salida : Vino fermentado, C02.

Mosto + Nutrientes + Levadura = Vino + C02

Para el cálculo del C02 tenemos que las 5 toneladas de melaza que entra a proceso presentan un 45% de azúcares fermentables.

5 Ton * 0.45 = 2.25 ton de azúcar fermentable.

De la reacción de fermentación, por estequiometría: el 48.9 % del azúcar se convierte en C02, entonces:

(2.25 Ton * 0.489) = 1.1 Ton de C02 que salen.

Así: 20.2 Ton + 0.01 Ton = Vino + 1.1 Ton

Vino = 19.11 Ton.

Destilación 

Esta etapa abarca el paso del mosto a través de varias columnas como la destrozadora, concentradora e hidroselectora, necesarias para alcanzar las características requeridas del alcohol final.

Columna Destrozadora :

Corrientes de entrada :: Vino fermentado.

Corrientes de salida : Flemas, vinazas.

Flemas: Corriente con un contenido alcohólico del 45%.

5 Ton * 0.45 = 2.25 Ton de azúcar fermentable.

De la reacción de fermentación el 51.1 % del azúcar se convierte en Alcohol

Entonces 2.25 Ton * 0.511 = 1.15 Ton de Alcohol Etílico.

La corriente de flemas que abandona la destrozadora presenta 45% de concentración alcohólica.

Así: (1.15/0.45) = 2.555 Ton

Vino = Vinazas + Flemas

19.11 Ton = Vinazas + 2.555 Ton

Vinazas = 16.555 toneladas.

Columna Concentradora.

Corrientes de entrada :: Flemas.

Corrientes de salida : Corriente alcohólica, Flemazas.

Flemas = Flemazas + Corriente Alcohólica

En esta etapa la corriente alcohólica presenta una concentración del 92% de etanol. Como el alcohol puro que viene de la etapa anterior corresponde a un total de 1.15 Ton. Entonces

(1.15/0.92) = 1.25Ton

2.555 Ton = Flemazas + 1.25 Ton

Flemazas = 1.305 Ton

Columna Hidroselectora

Corriente de entrada: Corriente alcohólica al 92 %

Agua necesaria para la hidroselección.

Corrientes de salida: Vapor alcohólico con una concentración del 13 %

Alcohol impotable con concentración alcohólica del 24%

De la relación de producción de impotables :0.006 Toneladas de alcohol impotable por tonelada de alcohol etílico.

Total de impotables de salida = 0.006 toneladas

Corriente de Vapor Alcohólico = 1.15/0.13 = 8.835 Ton

Corriente alcohólica + agua = Vapor alcohólico + alcohol impotable

1.25 Ton + Agua = 0.006 Ton + 8.835 Ton

Agua para esta etapa = 7.59 Toneladas por tonelada de alcohol producido.

Rectificación :

Corriente de entrada: : Vapor alcohólico.

Corrientes de salida : Alcohol etílico rectificado, aceites fussel, flemazas.

Vapor Alcohólico = Flemazas + Aceites fussel + Alcohol rectificado

De la relación de producción de Aceites fussel con la producción de Alcohol Rectificado al 96 % : por 1 Ton de este último se producen 0.00125 Ton de Aceites fussel.

Así: 8.835 Ton = Flemazas + 0.00125 Ton + 1 Ton

Flemazas = 7.834 Ton

La figura muestra de manera simplificada el balance de materia del proceso de obtención de 1 tonelada de alcohol etílico.

DIAGRAMA DEL BALANCE DE MASA

BALANCE DE ENERGIA.

Al igual que para el balance de masa, la base de cálculo es una tonelada de Alcohol etílico rectificado y el balance de energía se realiza por etapas del proceso que presenten cambios de temperatura es decir aquellas que ceden o absorben energía para que puedan llevarse a cabo.

Etapa de esterilización:

Q(vapor) ESTERILIZACION

Este es el calor involucrado en esta etapa es el necesario para esterilizar la melaza por medio de adición directa de vapor hasta conseguir una temperatura de a 105ºC. La temperatura inicial de la melaza es de 25ºC..

25ºC = 77ºF Cp = 0.52 BTU/Lb ºF = 1209.5 J/Kg ºF

105ºC = 221ºF

Q = m * Cp *  T

Donde m es la masa de entrada, Cp la capacidad calorífica de la mela<a y  T la diferencia de temperaturas de entrada y de salida.

Q = 5000 Kg * 1209.5 J/Kg ºF * ( 221ºF - 77ºF)

Q = 8.7 * 108 J

Este calor es suministrado por la inyección de vapor, de tal manera que al entrar en contacto con la melaza, presenta una condensación, así:

Q = mv *( Cpv *  T + vaporización)

Cp = 0.45 BTU / Lb ºF = 1046.88 J/Kg ºF

 T = El vapor entra a 150 ºC = 302 ºF y sale a 107 ºC junto en la mezcla = 221 ºF

El  de vaporización a 105 ºC = 795 BTU / Lb = 1849140.7 J/Kg

Q = mv *[ 1046.88 J/Kg ºF * ( 302 - 221 ) ºF + 1849140.7 J/Kg]

8.7 * 108 J = mv * 1930169.2 J/Kg

mv = 450.3 Kg = 0.4503 Ton de Vapor por Ton de producto

Inmediatamente después de la esterilización, la temperatura del mosto se debe llevar a 33 ºC; por lo tanto, es necesario retirarle calor por contacto indirecto con agua de enfriamiento.

Calor que se le debe retirar para la disminución de la temperatura.

Q = m * Cp *  T

Q = 5450.3 Kg * 1209.5 J/Kg ºF * ( 221 - 91.4 ) ºF

Q = 8.54 * 108 J

Agua de enfriamiento necesaria:

Q = magua * Cpagua *  T

Cpagua = 2326 J/Kg ºF

8.54 * 108 J = magua * 2326 J/Kg ºF* ( 176 - 77) ºF

magua = 14114 Kg = 14.114 Ton de agua por Ton de producto.

Etapa de Fermentación

FERMENTACION Q

C6H12O6-  2C2H5OH + 2CO2 - 31.200 cal

Por dos moles de alcohol producidas se liberan 31.200 cal. Por 1 mol 15600 cal, lo que corresponde a 65270 J. La temperatura, durante el proceso de fermentación no debe ser mayor de 30ºC, por lo tanto hay que retirarle continuamente el calor liberado por la reacción.

Calor total librado en la fermentación:

No de moles formadas durante el proceso de fermentación:

 = 1260Kg / (46 Kg/ Kmol) = 27.4 Kmol

Como se libera 65270 J/mol por 27.4 Kmoles el calor total es

65270 KJ/Kmol * 27.4 Kmol = 1787830.4 KJ

Agua necesaria para el control de la temperatura con una temperatura de descarga para el agua de enfriamiento de 50 ºC.

1787830400 = magua * 2326 J/Kg ºF * ( 122 - 77 ) ºF

magua = 17080 Kg = 17.08 Ton de agua de enfriamiento por Ton de producto

Etapa de Destilación:

En la etapa de destilación, es necesario suministrar calor para el funcionamiento de las columnas. En ellas se busca obtener un alcohol lo mas purificado posible. El calor lo proporciona vapor de caldera.

En general las corrientes de salida de la etapa son:

Vinazas a 80 ºC; de la columna destrozadora. Agua de la columna de alto grado a 80 ºC ;

Impotables de la columna de hidroselección a 95 ºC ;

Aceites fussel de la columna de rectificación a 90 ºC ;

Alcohol rectificado de la rectificadora a 80 ºC ;

Femazas a temperatura de 117 ºC de las columna concentradora y rectificadora.

Los calores específicos promedio para cada una de las corrientes a su correspondiente temperatura de salida son:

-Cp(flemazas)=2326 J/Kg ºF

- Cp ( vinazas ) = 2140 J/Kg ºF

-Cp(impotables) = 2221.13 J/KgºF

- Cp ( aceites fussel ) = 1535 J/KgºF

- Cp ( etanol ) = 1977

Con los flujos de las corrientes y sus respectivos calores específicos tenemos:

Qt = Q(flemazas) + Q(agua) + Q(vinazas) + Q(impotabes) + Q(aceites) + Q ( etanol )

Q(flemazas) = 7834 Kg * 2326 J/KgºF* (242.6 - 113) ºF = 2.361556 * 109 J

Q(agua) = 1305Kg * 2326J/KgºF*(176-113)ºF = 1.912 * 108 J

Q(vinazas) = 16560 Kg * 2140 J/KgºF* (176 - 113)ºF = 2.2326 * 109 J

Q(impotabes) = 6 Kg * [2221.3J/KgºF * ( 203 - 113) ºF + 1790991.6J/Kg]

= 11945394 J

Q(aceites) = 1.25 Kg * [1535 J/KgºF * ( 203 - 113) ºF + 558231J/Kg] = 172687.5 J

Q ( etanol ) = 1000 Kg * [1977 J/KgºF * (176 - 113 ) ºF + 814087 J/Kg]

= 9.38638 * 108 J

De esa manera, el calor total involucrado en la etapa de destilación es

Qt = 5733815525 J

DIAGRAMA DEL BALANCE DE ENERGIA

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