INSTITUTO TECNOLÓGICO DETUXTLA GUTIÉRREZ

SEMINARIO DE ING. DE PROYECTOS 

PROYECTO:“PRODUCCION DE ALCOHOL ETILICO

A PARTIR DE LA FERMENTACION DE LA MELAZADE CAÑA DE AZUCAR”

CATEDRÁTICO: 

ESPECIALIDAD: INGENIERÍA QUÍMICA

APENDICE A: MEMORIA DECÁLCULO DEL PROCESO.

Balance de materia

* Producción diaria de melaza en Huixtla = 300 ton/día

* De las cuales 60% nos venderá= 180 ton/día

* Se procesaran 100 ton/día de melaza por 11 meses, con una producción de 24,000 Lt/día de alcohol a 96º GL.

* Se guardarán 80 ton/día de melaza durante 6 meses= 14400 ton = 10, 830 m3

RELACIONES DE REFERENCIA ENCONTRADAS EN LA TEORÍA (http://www.geimexico.org)

1 ton de melaza= 240 Lt de alcohol etílico a 96° GL.

1m3 = 1.33 ton de melaza a 85º BX.

* BALANCE DEL TDD-01

Para conocer la cantidad de agua necesaria para la primera dilución de la miel de 85-40 Bx.

Agua necesaria= (100 ton/día* 85 Bx)/40º Bx= 212.5 ton/día.

212.5 ton/día – 100 ton/día= 112.5 ton/día

112.5 ton/día de Agua

Corrientes: 1+2+3+4 = 5+6

SUSTITUYENDO:

Miel a 85º Bx + Agua de proceso + A. sulfúrico + Floculante= Miel 40º Bx + lodos (2 % del total contenido en el TDD-01.)

* Cantidad de ácido sulfúrico por cada tonelada de melaza a 85º Bx

1 ton de melaza = 0.01 ton de ácido sulfúrico

* Cantidad de floculante por cada tonelada de melaza a 85º Bx

1 ton de melaza = 0.012 ton de floculante

Por lo tanto:

* Cantidad de ácido sulfúrico en 100 ton de melaza = 1 ton de acido sulfúrico.

* Cantidad de floculante en 100 ton/día = 1.2 ton de floculante.

(100 + 112.5 + 1 + 1.2) ton/día = (210.4 + 4.294) ton/día

* BALANCE DE CORRIENTES DE LODO

Corrientes: 10= 6+9Lodos (2%) = lodos (2%) + lodos (2%)

10= 4.294 + (210.4 * 0.02= 4.208) = 8.50212 ton/día

Entonces: 10=7+11Lodos (02%) = retorno miel (25%) + lodos (75%)=8.50212 ton/día

= (2.1255 + 6.37659)=8.50212 ton/día = 8.50212 ton/día

* BALANCE DEL TDE-01

Corrientes: 5 + 7= 8 + 9 por lo tanto: 8 = 5+7 – 9 

Miel clarificada 40º Bx = miel 40 Bx + retorno miel (25%) – lodos (02%)

= (210.4 + 2.1255 – 4.208) ton/día = 208.3175 ton/día

Miel clarificada 40º Bx= 208.3175 ton/día

5 + 7 = 8 + 9

210.4 + 2.1255 = 208.3175 + 4.208

TOTAL DE SALIDA DEL TDE-01= 212.5255 = 212.5255

* BALANCE DEL TD-01Para la segunda dilución de la miel de 40 – 24.5º Bx tenemos:

Agua necesaria= (208.3175 *40ºBx) / 24.5ºBx = 340.110 ton/día= 340.110 – 208.3175 = 131.7927 ton/día= 131.7927 ton/día de agua de proceso

Corrientes: 8 + 12 = 13

Miel clarificada 40ºBx + Agua de proceso = Miel clarificada 24.5ºBx208.3175 + 131.7927= 340.11020 ton/día clarificada 24.5ºBx = 340.11020 ton/día

ÁREA DE FERMENTACIÓN Y CENTRIFUGACIÓN

* BALANCE DE TL-03Esta demanda se cubre con 0.264 F13 de miel clarificada a 24.5ºBx, además de agua de proceso, para disminuir la concentración hasta 12ºBx(promedio), también crema de levadura procedente de las centrífugas y de ácido sulfúrico.

* Agua necesaria de proceso=0.264*340.110tondía (24.5ºBx)12ºBx=183.32ton/día = 183.28 – 89.789 = 93.5329 ton/día

* Crema de levadura = f(mosto fermentado a centrifugar): pero, de la cantidad de mosto a centrifugar, el 8.2% es crema de levadura, mientras que el 99.8% es vino que se destilará.Por lo tanto: * Crema de levadura = 0.082(mosto fermentado a centrifugar)Pero: Mosto fermentado a centrifugar = (98.62)(mosto a fermentar)Por tanto: Crema de levadura =(0.082)(0.9862)(mosto a fermentar)

* Requerimiento de H2SO4: 

1 ton/día melaza a 24.5ºBx 0.001176ton/día H2SO4340 ton/día melaza a 24.5ºBx = 0.4 340(0.001176)=0.4

Requerimiento total H2SO4 pero para el TL-03, la cantidad de melaza de 24.5ºBx que entra es 89.77 por lo tanto se necesita 0.1055, el resto se meterá al TF-01/05 (0.2943)

Miel a 24.5ºBx + agua de proceso + H2SO4 + crema de levadura = mosto a fermentar89.77 + 93.5329 + 0.1055 + (0.082)(0.9862) (mosto a fermentar) = mosto a fermentar183.3856 = mosto a fermentar – 0.08087 (mosto a fermentar)Corriente 17 Mosto a fermentar=183.38561-0.08087=199.5693 ton/día

* Por lo tanto: Crema de levadura=16.1391 ton/día

* BALANCE DE TF-01/05

* Alimentación de nutrientes:Melaza a 24.5ºBx = (0.736)(340)= 250.2382

1 ton mosto a fermentar 0.001155 ton de nutrientes199.5693 + 250.3282 = 449.88 = 0.5196 ton de nutrientes

Mosto total a fermentar = corriente 17 + melaza a 24.5ºBx + nutrientes + H2SO4En donde: melaza a 24.5ºBx= 0.726 H2SO4= 0.2943

* Mosto total a fermentar=449.7902+0.5195+0.2943=459.0112tondía

* Sedimentos = (1.38%)(mosto total a fermentar)

= (0.0138)(459.0112)=6.3343 ton/día

Corriente 19 = 16 + 21* corriente 19=vino a filtrar=98.62%459.0112tondía=452.6769 ton/día

* BALANCE DEL F-01/02

* Corriente 19'=vino a centrifuga=417.2876 ton/día

* BALANCE DEL C-01/03

* Corriente 16=crema de levadura=16.1391 ton/día

* Corriente 21=vino a destilación=402.7623 ton/día21 = 417.2876 – 16.1391 = 428.2507

* DESTILACIÓN POR ARRASTRE DE VAPOR

A=Etanol | |B = Agua | |MA = PMA =46 |MB = 18 | |Si setrabaja a P = P atm = 101.3 KPaPa = Petanol = 70 Kpa |Teb de etanol = 70º c |

mA = flujo de etanol en la corriente de miel fermentada* De corriente 21 vino= 402.7623 ton/díaDel cual posee un RA de 0.07* Cantidad de alcohol presente en el vino=0.07402.7623tondía=28.1933tondia

Del cual el 90% será alcohol etílico de 96ºGL 

Por lo tanto: mA=0.87628.1933tondía=24.7005tondía

* El requerimiento de vapor será (calculo aproximado realizado en programa Simulador HYSYS):mB=94.8345 tondíamB = mvapor = Corriente 22 * BALANCE GLOBAL

21+22=23+25+27+2821= vino= 402.76322 = vapor = 91.35125 = Alcohol de 2da = a 88ºGL aprox. = 0.86935 ton/dia = 869.357 kg/dia

27 = fussel = 0.02492 ton/dia = 24.9237 kg/dia

28 = Etanol = 23.311 ton/día. En litros = 29546.21 lt/día(menor cantidad de etanol debido a eficiencia de destilación)T523= Vinaza = 406.33517 ton/dia

Por lo tanto:* Corriente 23= Vinaza = 406.33517 ton/día* Corriente 25= Alcohol de 2da = 0.86935 ton/día* Corriente 28 = Etanol = 23.311 ton/día = 29,546.21 lt/día * Corriente 27 = Fussel = 24.9237 kg/día

Balance de energía1. BALANCE EN EL TDD-01m1 = melaza diluida a 40ºBx = corrientes 1 + 2 + 3 + 4 = 210.406 ton/día = 210406 Kg/díaCp promedio de la melaza preparada = 1 209.5 J/KgºFT1 = 25ºC = 77ºFT2 = 85ºC = 185ºFQ=mCp∆T=210.406Kgdía1,209.5JKg℉108℉=27484.4KJdía

* Requerimiento de vapor:Q=mvCpv∆T+λv

λv= Calor latente de evaporación a 1 atm= 2257 KJ/KgCpv= 32.24 + 0.1923x10-2T + 1.055 x10-5T2 -3.595 x10-9T3/KJ/Kmol*K)T1=140ºcT2=35º

Cp∆T=32.24140-35+0.1923E-21402-3522+1.055E-51403-3533-3.595E-91404-3544=3385.2+17.667+9.4989 -0.3434=3412.022kJkmol vapor agua =189.556KJKg

mv=QCpv∆T+λv=27484.4 KJ/día189.556+2257KJ/Kg=11.234Kgdía=0.11234 Ton/día

2. BALANCE EN EL TDE-01/02

Los tanques son isotérmicos, sin embargo a la hora de fluir del TDD-01 a los TDE-01/02 puede haber pérdidas de calor por lo tanto un enfriamiento en la melaza por lo tanto se requiere elevar de nuevo la T de la melaza a 85ºC, suponiendo que a la entrada del TDE-01/02, las corrientes de entrada provocan que disminuya a lo más hasta 80ºCpor lo tanto:

m1 = melaza a 40 ºBx sin sedimentos + retornos m1 = (210.4 + 2.12553) ton/dia = 212525.53 kg/dia

Cp melaza = 1209.5 J/kg.ºFT1 = 80 ºC = 176 ºFT2 = 85 ºC = 185 ºF

Q=212525.5kgdia1209Jkg.ºF185-176 ºF

Q=2313446.33kJdia

* VaporT1 = 140 ºCT2 = 35 ºCCpv∆T = 189.556KJKg mv=masa de vapor requeridomv= 2313446.33kJdia189.556+2257kJkg=94.56kgdia=0.09456tondia

3. BALANCE EN EL EM-01

m1 = melaza clarificada a 40 ºBx sin sedimentos = 208.3234 ton/dia = 2083234 kg/diaCpmelaza = 1209.5 J/kg.ºFT1 = 85 ºC = 185 ºFT2 = 32 ºC = 89.6 ºFQ=2083234kgdia1209.5Jkg.ºF89.6-185 ºF= -24032081.63kJdia* Agua de enfriamiento:T1 = 25 ºCT2 = 95 ºCCph2O liq= 4.19 kJ/kg.KQ = mh2O.Cph2O∆Tm.h2O=24032081.63kJdia4.19kJkg.K95-25 K=81936.86kgdia=81.936tondia

4. En la reacción de fermentación se libera energía (reacc. Exotérmica), por lo que hay que cuidar el rango de temperatura ideal de fermentación (33-34 ºC). Para saberla cantidad de energía liberada en la fermentación, se calculará mediante el balance estequiométrico de la reacc.:

BALANCE EN EL TF-01/05

C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + 25.5 kcalDe la cantidad de produccion de etanol = 24.7005 ton/dia, a la concentración de 96 ºGL24700.5kgdia1 kmol46 kg= 536.9673kmoldiaC6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + 25.5 kcal536.9673 kmol 536.9673 kmol 6846.33 kcal

Q=6846.33 kcal100cal1 kcal4.184J1 cal1kJ1000 J=2864.5kJdia* Requerimiento de agua de enfriamiento:Cph2O = 4.19 kJ/kg.KT1 = 25 ºC Q = mh2O.Cph2O∆TT2 = 95 ºCm.h2O=2864.5kJdia4.19kJkg.K95-25 K=9.76645kgdia=0.00976tondia

AREA DE DESTILACION5. Requerimiento de vaporDebido a que en el área de fermentación, la carga pesada para requerimiento de vapor lo exige la 1er. columna de destilación, es decir, la Columna Destrozadora,

ya que ésta opera mediante el principio de arrastre de vapor, por medio de la utilización de vapor como proceso, NO COMO SERVICIO AUX., es este flujo el que se considerará principal para los requerimientos de vapor en esta área del proceso. Ciertamente, con base en el diagrama del proceso, se puede observar que ahí una carga de vapor para servicio aux. en las columnas Depuradora y Rectificadora, pero, analizando el balance de materia, y apoyados por la Simulación realizada en HYSYS, en cuanto a la producción de etanol y los subproductos subsecuentes, se puede observar que la utilización de vapor como medio decalentamiento es relativamente pequeña en comparación al requerimiento fuerte de vapor en la Columna Destrozadora, por lo que, el requerimiento total de vapor se tomará de la sig. forma:Flujo de vapor C. Destrozadora = Corriente 22 = 91.351 ton/diaRequerimiento de vapor de serv. en C. Depuradora y C. Rectificadora = 5%(Corriente 22)Requerimiento = 4.56755 ton/diaRequerimiento total = 95.91855 ton/dia

Respecto al requerimiento de agua de enfriamiento, se tomará el mismo valor que el obtenido en el requerimiento para las columnas Depuradora y Rectificadora, considerando la misma hipótesis del caso del vapor, por lo tanto:Requerimiento agua enfriamiento Área de Destilación = 4.56755 ton/día