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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA

“DISEÑO DE UNA PLANTA PRODUCTORA DE VODKA, UTILIZANDO

COMO MATERIA PRIMA LA PAPA”

TRABAJO DE TITULACIÓN, MODALIDAD PROPUESTA TECNOLÓGICA PARA

LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO QUÍMICO

AUTOR: VALENTINA ELIZABETH ALCÍVAR CENTENO

TUTOR: ING. ALEJANDRO JAVIER DELGADO ARAUJO

QUITO – ECUADOR

2017

II

DERECHOS DE AUTOR

Yo, Valentina Elizabeth Alcívar Centeno en calidad de autor del trabajo de titulación,

modalidad propuesta tecnológica: DISEÑO DE UNA PLANTA PRODUCTORA DE

VODKA, UTILIZANDO COMO MATERIA PRIMA LA PAPA”, por la presente

autorizo a la Universidad Central del Ecuador, hacer uso de todos los contenidos que me

pertenecen o de parte de los que contienen esta obra, con fines estrictamente académicos

o de investigación.

Los derechos que como autor me corresponden, con excepción de la presente

autorización, seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en los

artículos 5, 6, 8, 19 y demás pertinentes de la Ley de Propiedad Intelectual y su

reglamento.

Asimismo, autorizo/autorizamos a la Universidad Central del Ecuador para que realice

la digitalización y publicación de este trabajo de investigación en el repositorio virtual,

de conformidad a lo dispuesto en el Art. 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior.

En la ciudad de Quito, a los 27 días del mes de junio del 2017.

_______________________________

Valentina Elizabeth Alcívar Centeno

C.I.:1725587487

Teléfono: 0992748173

E-mail:[email protected]

III

APROBACIÓN DEL TUTOR

Yo, Alejandro Javier Delgado Araujo en calidad de tutor del trabajo de titulación,

modalidad propuesta tecnológica DISEÑO DE UNA PLANTA PRODUCTORA DE

VODKA, UTILIZANDO COMO MATERIA PRIMA LA PAPA, elaborado por la

estudiante Valentina Elizabeth fin de que el trabajo sea habilitado para continuar con el

proceso de titulación determinado por la Universidad Central del Ecuador.

En la ciudad de Quito a los 27 días del mes de junio de 2017.

_______________________________

Ing. Alejandro Javier Delgado Araujo

C.I.: 1711699593

IV

DEDICATORIA

Dedico este trabajo, a Dios,

por haberme permitido,

llegar a obtener este logro.

A mis padres, quienes fueron

el pilar fundamental para

lograr convertirme en la

profesional de hoy en día.

A mis hermanos, quienes

fueron la compañía, ayuda,

amistad, y apoyo para lograr

mi meta, sin claudicar en el

camino.

V

AGRADECIMIENTOS

A Dios por haberme brindado la perseverancia y constancia para lograr cumplir mi

meta, a pesar de los contratiempos presentados.

A mis padres, Pablo y Violeta, por su cariño y amor y por estar presentes a lo largo de

la carrera, con sus consejos, aprendizajes y lecciones, las cuales me sirvieron para no

darme por vencida.

A mis hermanos, Pablo, Evelyn y Cristhian por haberme brindado su confianza, apoyo

y su afecto para de esta manera, demostrarme que las metas propuestas si se cumplen.

A mi tutor, Ingeniero Alejandro Delgado, por ayudarme impartiéndome sus

conocimientos para de esta manera lograr el objetivo propuesto.

A cada uno de los profesores que me guiaron a lo largo de la carrera, ya que de esta

manera, ayudaron a cumplir mi meta.

VI

CONTENIDO

………… …..Pág.

DERECHOS DE AUTOR ............................................................................................................. II

APROBACIÓN DEL TUTOR .................................................................................................... III

DEDICATORIA ......................................................................................................................... IV

AGRADECIMIENTOS ................................................................................................................ V

CONTENIDO ............................................................................................................................. VI

ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................................. VIII

ÍNDICE DE TABLAS ................................................................................................................ IX

ÍNDICE DE ANEXOS .................................................................................................................. X

RESUMEN .................................................................................................................................. XI

ABSTRACT ............................................................................................................................... XII

1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 1

2 MARCO TEÓRICO .............................................................................................................. 3

2.1 Vodka ............................................................................................................................ 3

2.2 La papa .......................................................................................................................... 3

2.3 Composición química de la papa .................................................................................. 4

2.4 Hidrólisis del almidón ................................................................................................... 5

2.5 Sacarificación ................................................................................................................ 5

2.6 Fermentación alcohólica ............................................................................................... 5

2.7 Fermentador (Batch) ..................................................................................................... 6

2.8 Levaduras ...................................................................................................................... 6

2.9 Condiciones necesarias de la fermentación alcohólica ................................................. 8

2.10 La destilación Simple .................................................................................................... 9

2.11 Ley de Antoine ............................................................................................................ 13

2.12 Punto de burbuja.......................................................................................................... 13

2.13 Punto de Rocío ............................................................................................................ 14

2.14 Ecuación de Wilson ..................................................................................................... 14

2.15 Ley de Raoult .............................................................................................................. 16

2.16 Línea de operación ...................................................................................................... 16

2.17 Sistema de limpieza CIP (Clean in Place) ................................................................... 18

2.18 AutoCAD .................................................................................................................... 19

3 METODOLOGÍA EXPERIMENTAL ................................................................................ 20

3.1 Proceso Experimental .................................................................................................. 20

3.2 Datos iniciales para el diseño de la planta productora de vodka. ................................ 22

4 CÁLCULOS ........................................................................................................................ 25

VII

4.1 Dimensionamiento del tanque de mezcla .................................................................... 25

4.2 Dimensionamiento del tanque para la fermentación ................................................... 30

4.3 Diseño de la unidad de destilación diferencial por cargas .......................................... 32

4.3.1 Cálculo de la densidad de la solución etanol-agua en la carga inicial de la

columna de destilación (Wo). .............................................................................................. 33

4.3.2 Cálculo de las fracciones molares de etanol y agua en la carga inicial de la

columna de destilación (Wo). .............................................................................................. 35

4.3.3 Cálculo de la densidad de la solución etanol-agua en la corriente de destilado

(D). 37

4.3.4 Cálculo de las fracciones molares de etanol y agua en la corriente de destilado

(D). 39

4.3.5 Cálculo del número de moles de etanol y agua en la corriente de residuo (W). . 41

4.3.6 Cálculo de las concentraciones de etanol y agua de moles a litros en la corriente

de residuo (W). .................................................................................................................... 43

4.4 Cálculo del caudal del lavado CIP (Clean In Place) para tanques .............................. 45

4.5 Diseño del condensador .............................................................................................. 46

4.5.1 Lado del Producto ............................................................................................... 46

4.5.2 Lado del Servicio ................................................................................................ 49

4.6 Diseño del Vaporizador (Calentador).......................................................................... 53

4.6.1 Lado de Servicio .................................................................................................. 53

4.6.2 Lado del producto ................................................................................................ 57

5 RESULTADOS ................................................................................................................... 62

5.1 Resultados de la hidrólisis-sacarificación: .................................................................. 62

5.2 Resultado de la fermentación ...................................................................................... 62

5.3 Resultados de la Destilación ....................................................................................... 63

5.4 Resultados de la condensación .................................................................................... 64

5.5 Resultados de la Vaporización .................................................................................... 64

6 DISCUSIÓN ....................................................................................................................... 66

7 CONCLUSIONES .............................................................................................................. 69

8 RECOMENDACIONES ..................................................................................................... 73

9 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................. 74

ANEXOS..................................................................................................................................... 76

VIII

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 La papa ......................................................................................................................... 4 Figura 2 Composición química de la papa común ................................................................ 4 Figura 3 Reactor tipo Batch ...................................................................................................... 6 Figura 4 Levaduras. ................................................................................................................... 7 Figura 5 Diagrama esquemático de un equipo de destilación simple. ............................. 10 Figura 6 Destilación diferencial o por cargas ....................................................................... 11 Figura 7 Mezcla equimolar de dos especies (1 y 2)............................................................ 15 Figura 8 Líneas de operación ................................................................................................. 18 Figura 9 Diagrama de Flujo para la Obtención de Almidón ............................................... 20 Figura 10 Diagrama de Flujo para la Obtención de Vodka ................................................ 21 Figura 11 Agitador de Turbina Rushton ................................................................................ 26 Figura 12 Agitador de Turbina Rushton con Relaciones Adimensionales ...................... 27 Figura 13 Simulación del Agitador en VisiMix ...................................................................... 28 Figura 14 Simulación de la Agitación con 150 rpm ............................................................. 29 Figura 15 Curva de Equilibrio Líquido Vapor ....................................................................... 41 Figura 16 Datos obtenidos en HYSYS .................................................................................. 54

IX

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Coeficientes de la Ecuación de Antoine y Temperaturas de Ebullición del Sistema ...................................................................................................................................... 13 Tabla 2 Variables dependientes del proceso de hidrólisis del almidón y sacarificación (tanque de mezcla) ................................................................................................................... 22 Tabla 3 Variables dependientes del proceso de fermentación (tanque de fermentación) ..................................................................................................................................................... 22 Tabla 4 Variables dependientes del proceso de destilación diferencial por cargas ..... 23 Tabla 5 Variables dependientes del proceso de condensación ....................................... 23 Tabla 6 Variables dependientes del proceso del Vaporización (calentador) ................ 24 Tabla 7 Constante de proporcionalidad y número del agitador de Turbina Rushton ................. 26 Tabla 8 Relaciones adimensionales y valores de las dimensiones del agitador ............ 27 Tabla 9 Condiciones de Operación en la Alimentación (Wo) ............................................ 33 Tabla 10 Condiciones de Operación en el Destilado (D) ................................................... 36 Tabla 11 Norma DIN, diámetros ............................................................................................ 46 Tabla 12 Datos obtenidos en HYSYS ................................................................................... 48 Tabla 13 Datos obtenidos en HYSYS ................................................................................... 56 Tabla 14 Resultados del tanque de mezcla ......................................................................... 62 Tabla 15 Resultados de la fermentación .............................................................................. 62 Tabla 16 Resultados de la Carga inicial (Wo) ...................................................................... 63 Tabla 17 Resultados del Destilado (D) ................................................................................. 63 Tabla 18 Resultados del Residuo (W) .................................................................................. 63 Tabla 19 Volumen total de destilado ..................................................................................... 64 Tabla 20 Resultados del Condensador (línea de Producto) .............................................. 64 Tabla 21 Resultados del Condensador (línea de Servicio) ............................................... 64 Tabla 22 Resultados del Vaporizador (línea de servicio) ................................................... 64 Tabla 23 Resultados del Vaporizador (línea de producto)................................................. 65 Tabla 24 Especificaciones (Ver Anexo J) ............................................................................. 80

X

ÍNDICE DE ANEXOS

ANEXO A: Algoritmo para la corrección del diagrama de equilibrio etanol-agua a las

condiciones de (PQUITO) P=540mmHg. ................................................................................... 76 ANEXO B: Datos de equilibrio líquido-vapor ............................................................................ 77 ANEXO C: Simulación en HYSYS del Vaporizador (Calentador) ............................................ 78 ANEXO D PLANO P&ID .......................................................................................................... 79 ANEXO E Códigos de los elementos del diagrama P&ID ......................................................... 80 ANEXO F DIAGRAMA DE BLOQUES ................................................................................... 83 ANEXO G LAVADORA DE PAPAS ........................................................................................ 84 ANEXO H PELADORA DE PAPAS ......................................................................................... 85 ANEXO I LICUADORA ............................................................................................................ 86 ANEXO J TANQUE DE MEZCLA ........................................................................................... 87 ANEXO K TANQUE DE FERMENTACIÓN ........................................................................... 88 ANEXO L CIERRE DE FERMENTACIÓN .............................................................................. 89 ANEXO M UNIDAD DE DESTILACIÓN DIFERENCIAL ..................................................... 90 ANEXO N CONDENSADOR .................................................................................................... 91 ANEXO O VAPORIZADOR (CALENTADOR) ....................................................................... 92

XI

TEMA: DISEÑO DE UNA PLANTA PRODUCTORA DE VODKA,

UTILIZANDO COMO MATERIA PRIMA LA PAPA. MODALIDAD

PROPUESTA TECNOLÓGICA.

RESUMEN

Diseño del proceso de producción del vodka, así como también de los equipos

respectivos del proceso, siguiendo los fundamentos de ingeniería y desarrollo de los

diagramas del proceso, usando el software AutoCAD.

Se procede a especificar las condiciones de operación de cada equipo, tales como el

tanque de mezcla, el tanque para la fermentación, la unidad de destilación diferencial

por cargas, el condensador y el vaporizador, así como también se hizo los cálculos para

el dimensionamiento de dichos equipos.

A partir de las condiciones definidas se determina la cantidad de destilado

especificado para la producción de vodka. De esta manera se puede ejecutar la

implementación de dicha planta a pequeña escala, con una capacidad de 50 litros/carga.

Se concluye que el diseño de la planta productora de vodka a partir de la papa, está

dentro de las condiciones requeridas de funcionamiento.

PALABRAS CLAVES: /VODKA / PAPA / TANQUE DE MEZCLA / TANQUE

PARA LA FERMENTACIÓN / CONDENSADOR / VAPORIZADOR / UNIDAD DE

DESTILACIÓN

XII

TOPIC: “DESIGN OF A VODKA PRODUCTION PLANT, USING AS RAW

MATERIAL POTATO”. TECHNOLOGICAL PROPOSAL MODALITY

ABSTRACT

Design of a process for vodka production as well as its respective process devices

based on Engineering Principles was done. Moreover, process drawings were developed

using the software AutoCAD.

For this reason, it was carried out to specify the operation conditions in each

element such as the mash tank, the tank for the fermentation process, the batch

differential distillation column, the condenser and the vaporizer. On the other hand,

calculations for sizing of each device were done as well.

Through this kind of distillation with defined conditions it was obtained the amount

of specified distillate for the vodka production. In consequence, it can be executed the

plant assembly at small scale level with a capacity of 50 liters/batch.

It is concluded that the Plant Design for potato-vodka production is inside the

required performance conditions.

KEYWORDS: VODKA/ POTATO/ MASH TANK / TANK FOR THE

FERMENTATION / CONDENSER / VAPORIZER / DISTILLATION UNIT

1

1. INTRODUCCIÓN

La economía del Ecuador actualmente se encuentra en crisis debido al endeudamiento del

estado ecuatoriano con varios organismos internacionales y países como son China y

E.E.U.U. y por la baja del precio de venta del barril de crudo. Por esta razón, los proyectos

de emprendimiento se han hecho muy importantes en estos tiempos para mejorar los ingresos

económicos y poder tener solvencia económica. Según los datos la consultora Pulso-Ecuador

en su estudio del año 2011, el 3,70% de la población ecuatoriana consume vodka. Es por esto

que surge la idea de diseñar la planta productora de vodka, ya que la papa es un tubérculo

muy común en la Región Andina del Ecuador (Marshall & Mejia, 2011).

Previo a realizar este estudio se tomó en cuenta lo mencionado por García & López-

Munguía Canales (1995), donde se señala que durante miles de años la actividad de producir

bebidas alcohólicas está muy ligada a casi todas las culturas. Durante el paso del tiempo las

civilizaciones han aprendido de manera empírica a canalizar la fermentación de alcohol de

diversos sustratos. Mediante la fermentación alcohólica de la papa y el posterior

procesamiento del alcohol etílico, se obtiene la bebida alcohólica llamada vodka.

Generalmente se produce a través de la destilación de cualquier planta rica en almidón,

tradicionalmente de granos como el centeno (habitualmente considerado superior a otros

tipos de vodka) o trigo, pero también de papa y melaza.

Sin embargo, el vodka a base de papa resulta ser más caro que el vodka extraído de otros

granos, esto es debido a que las papas utilizadas para la producción contienen un nivel más

alto de almidón que las comunes, sin embargo, el alto contenido de almidón no asegura un

mayor rendimiento en grado alcohólico, por lo cual el costo de la bebida es mayor.

Sabemos que la papa es muy común en el Ecuador, especialmente en la región Andina,

según Cuesta (2012), no se da la adecuada explotación para la producción de nuevos

productos, es por esto que el presente trabajo se propone diseñar una planta piloto

2

productora de vodka. La cual en un futuro se la podría implementar al realizar estudios de

factibilidad técnica y económica.

La sociedad ecuatoriana tiene un alto consumo de bebidas alcohólicas, según Duque

(2014), una planta de vodka generaría fuentes de trabajo para los microempresarios,

promoviendo la circulación de dinero.

Los criterios de ingeniería que se utilizaron para el diseño de la planta productora de

vodka son: a) Se escogió el tipo de destilación más simple que es la diferencial por cargas, b)

para vaporizar la solución fermentada (etanol + agua), se escogió un calentador de

recirculación, utilizando un intercambiador de calor multi-tubular típico de la industria de

alimentos, c) se consideró en el diseño una forma semiautomática de limpieza o lavado (CIP,

por sus siglas en inglés que significan, Clean in Place), para asegurar que no haya

contaminación en la etapa de fermentación como en otras etapas, además de ser esterilizados

los diferentes tanques, por lo que se incluye un sistema de esterilización con vapor vivo que

se burbujea dentro del tanque, d) se considera un cierre para el tanque de fermentación, para

evitar que la mezcla inicial a fermentar no se contamine por agentes externos, e) la limpieza y

esterilización se hacen antes de iniciar el proceso y una vez terminado, los tanques de

maceración, fermentación y la unidad de destilación diferencial por cargas, fueron diseñados

para que se laven independientemente, sin dar lugar a la proliferación de bacterias u hongos

no deseados, e) para eliminar las grasa y la proteína que se adhiere a las paredes de los

tanques y las tuberías, los químicos de CIP que se utilizan son hidróxido de sodio y ácido

nítrico a 5 y 8 % P/P respectivamente.

3

2 MARCO TEÓRICO

2.1 Vodka

Según García Ortiz, Gil Muela, & García Ortiz (2004), el termino vodka en eslavo se

refiere a “agüita”, diminutivo de vodka “agua”. Aguardiente, cuyas características son ser

incoloro, neutro e insípido y que es fabricado en base de la fermentación, destilación y

rectificación de tubérculos como la papa, y cereales como centeno, trigo, maíz y cebada.

Según el Equipo vértice (2008), una vez terminada la etapa de destilación, el vodka

sufre una serie de filtraciones a través de los aparatos que contienen carbón vegetal de árboles

sobre todo del manzano y en menor proporción del abedul. Aunque, como se ha dicho es un

alcohol neutro, existen algunos tipos con mezcla, adición o maceración de hierbas, especias,

frutas, entre otros.

Rusia es el país que produce más cantidad de vodka. La mayor parte del vodka ruso está

elaborado a partir de mezclas de distintos cereales, que corresponden a los excedentes

habidos en la cosecha del año, pero también existen derivados de un solo cereal y en menor

medida de la papa (Equipo vértice, 2008).

2.2 La papa

La papa es uno de los cultivos alimenticios más importantes en los países en desarrollo,

así como también en países desarrollados (Fao, 2008). Debido a su importancia como

producto barato para la alimentación humana, animal y como fuente de almidón y alcohol, la

papa comúnmente se considera un cultivo (Figura 1) cuya producción y su uso se restringe

mayormente a naciones industrializadas (Horton, 1992).

La papa es originaria de Suramérica y cultivada por todo el mundo por sus tubérculos

comestibles. Fue domesticada en el altiplano andino por sus habitantes y más tarde fue

llevada a Europa por los conquistadores españoles como una curiosidad botánica más que

como una planta alimenticia. Su consumo fue creciendo y su cultivo se expandió a todo el

https://www.ecured.cu/Europa

https://www.ecured.cu/Espa%C3%B1oles

4

mundo hasta convertirse hoy día en uno de los principales alimentos para el ser humano

(EcuRed, 2014).

Figura 1 La papa

Fuente:(Horton, 1992)

2.3 Composición química de la papa

Aunque depende de la variedad cultivada, el tubérculo se compone básicamente de 72-

75% de agua, 16-20% de fécula en forma de almidón, 2,0-2,5% de substancias nitrogenadas,

0,15% lípidos y 1,0-1,8% de fibra dietética como celulosa, como se puede observar en la

figura 2. Otro compuesto presente en la papa es la solanina, la cual es producida en pequeñas

cantidades (menos de 0,2 mg/g de papa), pero que se incrementa hasta 1 mg/g por exposición

prolongada a la luz o lesiones mecánicas. Aunque a estas concentraciones de solanina, la

papa es tóxica, el pelado y el tratamiento térmico (como la cocción o la fritura) permiten

destruir esta sustancia; sin embargo, permanece su sabor amargo (Benavides & Pozo, 2008).

Figura 2 Composición química de la papa común

Agua; 76,7

Proteína; 1,9

Grasa; 0,1

Carbohidratos; 19,3

Fibras; 0,1 Cenizas; 0,1

PAPA COMÚN

5

2.4 Hidrólisis del almidón

El paso inicial del proceso consiste en hidrolizar parcialmente el almidón a dextrinas.

Para llevar a cabo el ataque enzimático, las ɑ-amilasas requieren que el almidón se encuentre

gelatinizado, es decir, que haya sido sometido a un proceso térmico (entre 75 y 90°C) en

presencia de agua. Es importante que las enzimas antes mencionadas sean termo tolerantes,

debido a las altas temperaturas que se usan durante el proceso. Bacillus lichenifonnis, por

ejemplo, posee una 𝛼-amilasas con una temperatura óptima de actividad de 90°C, mientras

que la de la enzima de Bacillus amyloliquefaciens es de 70°C. El pH para esta hidrólisis se

debe mantener entre 6 y 7, y el tiempo es de 30 minutos a una hora (Hernández, 2003).

2.5 Sacarificación

La segunda etapa es la conversión de las dextrinas en glucosa; en este proceso, se usan

las glucoamilasas o amiloglucosidasas, obtenidas de Aspergillus niger o Rhizopus sp. Para la

reacción de sacarificación; su temperatura óptima debe oscilar entre 50 y 55 °C y el pH entre

4 y 5 y el tiempo es de 30 minutos a una hora. Como resultado de la sacarificación, se obtiene

el jarabe rico en glucosa (Hernández, 2003).

2.6 Fermentación alcohólica

Es una forma de respiración anaeróbica. El término fermentación generalmente se

reserva para la actividad de algunos microorganismos, como ciertos hongos y bacterias. Los

productos de la fermentación son muy variados, según el substrato, el microorganismo y los

factores que gobiernan el proceso. Para la fermentación se acondiciona el sustrato a una

temperatura entre 28 y 32°C. Tras añadir la levadura, la fermentación requiere un tiempo

aproximado de 68 a 72 horas. Durante este proceso se produce dióxido de carbono (CO₂), lo

cual se recomienda que los tanques para fermentación cuenten con un cierre mecánico.

Algunos de los productos más conocidos de la fermentación son: alcohol etílico, ácido

láctico, ácido butírico, ácido cítrico y ácido acético; el tipo de fermentación se designa de

6

acuerdo con el producto obtenido (Müller, 1964).

2.7 Fermentador (Batch)

De acuerdo con Miranda, (2004), este tipo de reactor utilizado en el proceso de

fermentación alcohólica, como se muestra en la figura 3, se caracteriza por: a) ser alimentado

por la parte superior del tanque. b) no hay ingreso ni salida de materiales, mientras la

reacción es llevada a cabo, c) el tanque es fácilmente calentado o enfriado por una chaqueta.

d) el tanque posee un agitador que homogeniza la mezcla.

Figura 3 Reactor tipo Batch

Fuente:(Miranda, 2004)

Entre sus ventajas tenemos: a) Alta conversión por unidad de volumen. b) Flexible (es la

posibilidad de modificar las cargas o concentraciones). c) El mismo reactor puede ser

utilizado para producir diferentes productos. d) Fácil de limpiar. Entre sus desventajas

tenemos: a) Altos costos de operación. b) La calidad del producto es más variable que con

los reactores de operación continua (Miranda, 2004).

2.8 Levaduras

Las levaduras son micro hongos que se encuentran generalmente en forma de células

únicas y que se reproducen mediante gemación, como se muestra en la figura 4. Algunas

7

levaduras están formadas únicamente por células individuales y a veces cadenas cortas,

mientras que otras se encuentran con un cierto rango de formas celulares, incluyendo diversos

tipos de filamentos (Gonzales, 1978).

Existen en la naturaleza numerosas especies de levadura, pero las de mayor interés

industrial en el campo de las bebidas alcohólicas corresponden al género Saccharomyces.

Según Gonzales, (1978) Saccharomyces cereviseae, es una especie típica de

fermentación alta de la industria cervecera, sus colonias son blandas, húmedas y color crema,

son esféricas, elípticas y cilíndricas su tamaño varía notablemente oscilando entre 2 a 8

micras. Fermentan la galactosa, la sacarosa, la maltosa y la rafinosa y no utilizan nitritos.

Saccharomyces cerevisiae es la levadura más conocida y de importancia industrial ya

que es la especie de levadura utilizada por excelencia para la obtención de etanol a nivel

industrial debido a que es un organismo de fácil manipulación y de recuperación, no es

exigente en cuanto a su cultivo, no presenta alto costo, tolera altas concentraciones de etanol,

en la fermentación produce bajas concentraciones de subproductos, es osmotolerante, capaz

de utilizar altas concentraciones de azúcares, presenta alta viabilidad celular para el reciclaje

y características de floculación y sedimentación para el procesamiento posterior (Nieto,

2009).

Figura 4 Levaduras.

Fuente:(Gonzales, 1978)

8

2.9 Condiciones necesarias de la fermentación alcohólica

- Cultivo iniciador, según De la Rosa (1998), en la utilización de levaduras liofilizadas

dice, “1 gramo de levaduras desecadas contiene de 10 a 30 millones de células

prevalentemente vitales, por lo que se recomienda la adición de 20 a 15 g/hl de

mosto”.

- pH del mosto, según Gonzales (1978), la fermentación continúa satisfactoriamente

cuando el pH del mosto ha sido ajustado entre 4 y 4,5. Este pH favorece a las

levaduras y es lo suficientemente bajo para inhibir el desarrollo de muchos tipos de

bacterias.

- Cantidad de oxígeno, según Gonzales (1978), aunque la producción de alcohol no

requiere de oxígeno, en los primeros momentos de la fermentación es necesario una

gran cantidad de este gas para la reproducción de las células de levadura en

condiciones óptimas. Durante la fermentación pronto se desprende CO2 y se

establecen las condiciones anaerobias.

- Concentración de azúcar: una concentración de azúcar total de 10 a 22% es

satisfactoria, aunque a veces se emplean concentraciones demasiado altas que actúan

de forma adversa sobre las levaduras pues el alcohol producido puede inhibir su

acción. Sánchez P. (2003) dice no se puede pensar en fermentar un mosto con una

concentración muy elevada de azúcares. En estas condiciones osmófilas las levaduras

simplemente estallarían al salir bruscamente el agua de su interior para equilibrar las

concentraciones de solutos en el exterior y en el interior de la célula, es decir lo que se

conoce como una plasmólisis.

- Temperatura, para Flancy (2000), la influencia de la temperatura sobre el desarrollo

de la fermentación alcohólica es relativamente compleja. La disminución o el

aumento de la temperatura en un intervalo comprendido entre 30 y 35 °C afecta el

9

funcionamiento de numerosas actividades enzimáticas. En este intervalo, una

variación de temperatura afecta negativamente la tasa de crecimiento alrededor de un

óptimo situado en torno a 30 °C. Más allá de estos límites se observa una mortalidad

inducida por el calor.

Una vez culminada la fermentación, empieza el proceso de destilación, el cual será

descrito a continuación.

2.10 La destilación Simple

Según Struck, Varela, Guerra, & Mallén (2008) el principio de la destilación se basa en

las diferencias que existen entre los puntos de ebullición del agua (91°C) y el alcohol (70°C),

con una presión de 540 mmHg. Si un recipiente que contiene alcohol es calentado a una

temperatura que supera los 70°C, pero sin alcanzar los 91ºC, el alcohol se vaporizará y

separará del líquido original, para luego juntarlo y recondensarlo en un líquido.

Se deduce que los mayores componentes de las bebidas destiladas son el alcohol etílico

(C2H5OH) y el agua, debido a la fermentación anaeróbica, sin oxígeno, en una disolución de

azúcares con levadura. Los vapores que se desprenden se eliminan continuamente, se

condensan y se recolectan sin permitir que tenga lugar ninguna condensación parcial ni

retorno al recipiente en donde se lleva a cabo el calentamiento y ebullición de la mezcla.

La primera porción del destilado será la más rica en el componente más volátil

(mayoritariamente etanol) y conforme continúa la destilación, el producto evaporado se va

empobreciendo de etanol debido a las diferencia de volatilidad, como se puede observar en la

figura 5. Por lo tanto, el destilado puede recolectarse en varios lotes separados, llamados

fracciones, obteniéndose así una serie de productos destilados de diferente grado de pureza.

El principio de la destilación simple intermitente, puede ilustrarse fácilmente haciendo

referencia a un diagrama de equilibrio líquido – vapor (Struck, Varela, Guerra, & Mallén,

2008).

10

Así conforme la ebullición transcurre, se separan y condensan los vapores, y la cantidad

del líquido en el recipiente va disminuyendo progresivamente, al igual que el contenido del

componente más volátil en el líquido y el vapor, y la temperatura de ebullición del líquido en

el recipiente va aumentando (Struck, Varela, Guerra, & Mallén, 2008).

Normalmente en la industria, esta operación se realiza por lotes cargándose a un

recipiente y sometiéndose a ebullición. Los vapores que se desprenden se eliminan

continuamente, se condensan y se recolectan (Struck, Varela, Guerra, & Mallén, 2008).

Figura 5 Diagrama esquemático de un equipo de destilación simple.

El vapor que se desprende en una destilación diferencial verdadera, está en cualquier

momento en equilibrio con el líquido del cual se forma, pero cambia continuamente de

composición. Por lo tanto, la aproximación matemática debe ser diferencial (Struck, Varela,

Guerra, & Mallén, 2008). Según The university of UTAH (2014), la figura 6 muestra una

unidad de destilación diferencial por cargas, donde se puede observar que se añade energía

QB al sistema, el producto de cola W cambia de concentración x conforme se va calentando,

por otro lado el componente más volátil se vaporiza en mezcla binaria del destilado D, con

una composición y.

Dónde:

x= es la fracción molar final de carga

11

𝑦 = es la fracción molar del destilado

Wo = es la carga inicial (moles)

W = es la carga final (moles)

D = destilado (kmol

h)

Figura 6 Destilación diferencial o por cargas

Fuente: (The university of UTAH, 2014)

Haciendo un balance de masa se desarrolla las siguientes ecuaciones que se muestran a

continuación:

- La medición instantánea nos da la siguiente ecuación que es un balance global:

𝐝𝐖

𝐝𝐭= −𝑫

- Por otro lado se hace un balance parcial:

𝐝(𝐱 ∗ 𝐖)

𝐝𝐭= −𝒚 ∗ 𝑫

- Diferenciando se tiene:

𝐖 ∗𝐝𝐱

𝐝𝐭+ 𝒙 ∗

𝒅𝑾

𝒅𝒕= −𝒚 ∗ 𝑫

- Reemplazando 𝐷 en la primera ecuación se tiene:

W ∗dx

dt+ 𝑥 ∗

𝑑𝑊

𝑑𝑡= 𝑦 ∗

𝑑𝑊

𝑑𝑡

- Reordenando y agrupando se tiene:

12

W ∗dx

dt= 𝑦 ∗

𝑑𝑊

𝑑𝑡− 𝑥 ∗

𝑑𝑊

𝑑𝑡

W ∗dx

dt= (𝑦 − 𝑥) ∗

𝑑𝑊

𝑑𝑡

- Las diferenciales de temperatura se cancelan y se tiene:

W ∗ dx = (𝑦 − 𝑥) ∗ 𝑑𝑊

𝐝𝐱

(𝒚 − 𝒙)=

𝒅𝑾

𝒘

La ultima ecuación nos muestra que no depende del tiempo la concentración final de

destilado y (fracción molar de destilado)

Esta ecuación diferencial se puede integrar bajo límites definidos y se tiene la ecuación

de Rayleigh:

∫𝐝𝐱

(𝒚−𝒙)= ∫

𝒅𝑾

𝒘= 𝒍𝒏

𝑾

𝑾𝒐

𝑾

𝑾𝒐

𝒙

𝒙𝒐 (1)

Las deducciones antes realizadas, ayudan al diseño de la unidad de destilación.

Para aplicar esta ecuación (1) se necesita tener datos de equilibrio de fracción molar

líquido vapor de la solución binaria a considerar. Con estos datos se hace una integración

numérica o se determina las ecuaciones polinómicas correspondientes, para de esta manera

realizar la gráfica de la curva de equilibrio líquido-vapor que es la relación de moles de vapor

y líquido a una temperatura determinada.

Para obtener los datos de equilibrio se deben seguir los siguientes pasos: a) calcular las

temperaturas de ebullición de etanol-agua con la ecuación de Antoine. b) Suponer rangos de

temperatura entre el rango de la temperatura de ebullición del etanol y la temperatura de

ebullición de agua. c) Calcular las presiones de etanol y agua con las temperaturas supuestas

con la ecuación de Antoine y suponer los valores de concentración de etanol en fase liquida

desde 1. d) Calcular los coeficientes de actividad de etanol y agua, con la ecuación de

Wilson. e) Calcular las concentraciones en fase vapor con la ecuación de Raoult modificada

13

para casos reales.

Una vez mencionado cada paso a seguir, es necesario conocer la teoría de cada una de

las leyes y ecuaciones antes mencionadas, es por esto que a continuación se describe la Ley

de Antoine, el punto de burbuja, el punto de rocío, la ecuación de Wilson y la ecuación de

Raoult, para de esta manera obtener los datos de equilibrio a una presión de 540 mmHg.

2.11 Ley de Antoine

Según Rodriguez (2012), describe la relación entre la temperatura y la presión de

saturación del vapor de sustancias puras

𝑷 = 𝟏𝟎𝑨−𝑩

𝑪+𝑻

𝐥𝐨𝐠𝟏𝟎𝐏 = 𝐀 −𝐁

𝐂+𝐓

Siendo:

P = presión, generalmente en mmHg

T = temperatura de ebullición, generalmente en °C (ver tabla 1).

A, B y C parámetros empíricos, específicos para cada sustancia (ver tabla 1).

En la tabla 1 se pueden observar la temperatura de ebullición y los parámetros

empíricos, específicos para el etanol (componente 1) y agua (componente 2).

Tabla 1 Coeficientes de la Ecuación de Antoine y Temperaturas de Ebullición del Sistema

A B C Tb (°C)

Componente 1 8,1122 1592,864 226,184 70

Componente 2 8,10765 1750,286 235 91

2.12 Punto de burbuja

Los puntos de burbuja, temperatura y presión por su parte, se refieren a las condiciones

en las cuales en un sistema se inicia la ebullición. En el simple hecho de calentar agua, al

momento en que se ve la primera burbuja de vapor de agua formarse, se ha llegado a las

condiciones de burbuja.

https://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura

https://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n_de_vapor

https://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n_de_vapor

https://es.wikipedia.org/wiki/Torr

14

Se refiere a la P o la T a la cual se forma la primera traza de vapor cuando el líquido se

dilata (P=PB) o se calienta (T=TB) a T o P constante respectivamente. En el sentido de la

Ley de Raoult (Henley & Rosen, 2002).

Presión de Burbuja, si nos proporcionan datos de la fase líquida {xi} y T si:

𝒚𝒊∗𝑷 = 𝒙𝒊 ∗ 𝑷𝟏

𝒔𝒂𝒕

∑ 𝒚𝒊∗ = 𝟏

𝑷𝑩 = ∑ 𝒙𝒊 𝑷𝟏𝒔𝒂𝒕

2.13 Punto de Rocío

Los puntos de rocío se refieren a la temperatura y presión a la cual un sistema condensa.

Se refiere a la P o la T a la cual se forma la primera gota de rocío cuando el líquido se

comprime (P=PR) o se enfría (T=TR) a T o P constante respectivamente. En el sentido de la

Ley de Raoult (Henley & Rosen, 2002).

Presión de Rocío, si nos proporcionan datos de la fase de vapor {yi} y T Si:

𝐲𝐢∗𝐏 = 𝐱𝐢 ∗ 𝐏𝟏

𝐬𝐚𝐭

𝐲𝐢∗𝐏

𝐏𝟏𝐬𝐚𝐭 = 𝐱𝐢

∑ 𝐱𝐢 = 𝟏

𝐏𝐑 =𝟏

∑ 𝐲𝐢

𝐏𝟏𝐬𝐚𝐭

2.14 Ecuación de Wilson

Según Cano, (2012), en la ecuación de Wilson se toman en cuenta los efectos de las

diferencias de tamaño y fuerzas de atracción de las moléculas de las distintas especies

mediante un tratamiento basado en el concepto de composición local. Para demostrar lo

siguiente se hace uso de la siguiente figura 7:

15

Figura 7 Mezcla equimolar de dos especies (1 y 2)

Fuente: (Cano, 2012)

La fracción de volumen local propuesta por Wilson es función de la temperatura y de las

energías de interacción, como se observa en la ecuación siguiente:

�̅�𝒊 =𝒗𝒊

𝑳𝒙𝒊 𝐞𝐱𝐩(𝝀𝒊𝒋/(𝑹𝑻))

∑ 𝒗𝒋𝑳𝑵𝑪

𝒋−𝟏 𝒙𝒋 𝐞𝐱𝐩(𝝀𝒋𝒊/(𝑹𝑻))

Dónde:

𝜆= representa las energías de interacción, siendo 𝜆𝑖𝑗 = 𝜆𝑗𝑖, pero 𝜆𝑖𝑖 ≠ 𝜆𝑗𝑗

Utilizando estos parámetros para el cálculo de las constantes de interacción binarias

∧12 𝑦 ∧21 obtenemos:

∧12=𝑣2

𝐿

𝑣1𝐿 exp [−

𝜆12 − 𝜆11

𝑅𝑇]

∧21= 𝑣1

𝐿

𝑣2𝐿 exp [−

𝜆21 − 𝜆22

𝑅𝑇]

De tal modo, la discrepancia de energía libre de Gibss se puede expresar:

𝑮𝑬

𝑹𝑻= − 𝒙𝟏 𝐥𝐧(𝒙𝟏 + ∧𝟏𝟐 𝒙𝟐) − 𝒙𝟐 𝐥𝐧(𝒙𝟐 + ∧𝟐𝟏 𝒙𝟏)

En base a esta ecuación y del modo acostumbrado se obtiene la ecuación de Wilson para

los coeficientes de actividad de los componentes de una mezcla en la fase líquida. Para una

mezcla binaria:

𝐥𝐧 𝜸𝟏 = − 𝐥𝐧(𝒙𝟏 + ∧𝟏𝟐 𝒙𝟐) + 𝒙𝟐 [∧𝟏𝟐

𝒙𝟏+∧𝟏𝟐𝒙𝟐−

∧𝟐𝟏

𝒙𝟐+∧𝟐𝟏𝒙𝟏]

𝐥𝐧 𝛄𝟐 = − 𝐥𝐧(𝐱𝟐 + ∧𝟐𝟏 𝐱𝟏) + 𝐱𝟏 [∧𝟏𝟐

𝐱𝟏+∧𝟏𝟐𝐱𝟐−

∧𝟐𝟏

𝐱𝟐+∧𝟐𝟏𝐱𝟏]

16

2.15 Ley de Raoult

El comportamiento de una solución con componentes volátiles se determina investigando

la variación de la presión del vapor con la composición. Empíricamente se establece que la

presión del vapor P de una solución binaria es:

𝑷 = 𝒑𝟏 + 𝒑𝟐

Las presiones parciales p1 + p2 para una solución ideal en la que las fracciones molares

son x1 + x2son:

𝒑𝟏 = 𝒙𝟏𝑷𝟏°

𝒑𝟐 = 𝒙𝟐𝑷𝟐°

En las que P1° y P2

° son las presiones del vapor de los componentes 1 y 2 puros. El

enunciado de dicha Ley es: la presión del vapor de los componentes de una solución ideal es

igual a los productos de las fracciones molares y las respectivas presiones del vapor de los

componentes puros (Henley & Rosen, 2002).

Concluido los pasos para la obtención de los datos de equilibrio liquido vapor, se

empezara la construcción del diagrama de McCabe-Thiele, el cual será explicado a

continuación.

2.16 Línea de operación

Según Henley & Rosen (2002), antes de comenzar la construcción y uso de un diagrama

de McCabe-Thiele para la destilación de una alimentación binaria, debemos obtener los datos

del equilibrio líquido-vapor (VLE, Vapor Liquid Equilibrium) para el componente de

menor punto de ebullición de la alimentación.

El siguiente paso es dibujar una línea recta desde el origen de la gráfica (0, 0) hasta el

punto (1, 1), es decir la recta y=x. Esta línea de 45 grados se utiliza simplemente como una

ayuda gráfica para la elaboración de las líneas restantes. Luego se dibuja la línea de equilibrio

utilizando los puntos de datos VLE del componente de más volátil, lo que representa el

equilibrio de las composiciones en fase de vapor (Y) para cada valor de la composición de la

https://es.wikipedia.org/wiki/Punto_de_ebullici%C3%B3n

17

fase líquida (X). También dibujamos líneas verticales desde el eje horizontal hasta la línea

y=x para la composición de alimentación, para la composición del destilado superior y para la

del producto de la corriente del fondo (en rojo en la figura 8).

El siguiente paso es dibujar la línea operativa de rectificación (o de enriquecimiento) (la

sección sobre la entrada de la alimentación) de la unidad de destilación, (mostrados en verde

en la Figura 8). A partir de la intersección de la línea de la composición del destilado superior

y la recta y=x, trazamos la línea de operación de rectificación con una pendiente ascendente

(Δy/Δx) de L/ (D + L) donde L es el caudal molar de la corriente de reflujo y D es el caudal

molar del producto destilado.

El siguiente paso es trazar la recta q (línea azul en la Figura 8). La recta q parte de la recta

y=x en el punto donde x toma el valor de la composición de alimentación y llega hasta su

intersección con la recta operativa de enriquecimiento.

El parámetro q es la fracción molar de líquido en la alimentación y la pendiente de la

línea q es q/ (q - 1). Por ejemplo, si la alimentación es un líquido saturado entonces q = 1 y la

pendiente de la línea q es infinita lo que significa que la línea es vertical. Otro ejemplo; si la

alimentación es vapor saturado (sin líquido), q = 0 y la pendiente de la línea q es 0, lo que

significa que la línea es horizontal.

El diagrama de McCabe-Thiele en la figura 8 utiliza una recta-q que representa una

alimentación parcialmente vaporizada.

A continuación, como se muestra en la figura 8, trazamos la recta operativa de

agotamiento (color rosa) de la unidad de destilación (es decir, la sección de debajo de la

entrada de la alimentación). La recta de agotamiento parte de la intersección de la línea roja

del fondo con la recta y=x, y se dibuja hasta el punto de corte de la recta operativa de

enriquecimiento y la recta q. Obsérvese que las tres rectas se cortan en un mismo punto. Este

punto marca la posición del plato de alimentación.

18

Por último, como se muestra en la figura 8, dibujamos los pasos entre las rectas de

rectificación y la curva de equilibrio y luego contarlos. Estas medidas representan los platos

teóricos o etapas de equilibrio. En el ejemplo de la figura 8, el número total de platos

requeridos para la destilación binaria es de 6.

Debe observarse que el uso de rectas en color no es obligatorio y sólo se han utilizado

aquí para hacer la metodología más fácil de describir.

En la destilación continua con diferentes relaciones de reflujo, la fracción molar de los

componentes más ligeros en la parte superior de la unidad de destilación disminuirá a medida

que disminuye la relación de reflujo. Cada relación de reflujo nueva altera la pendiente de la

recta de rectificación.

Cuando el supuesto de desbordamiento constante molar no es válido, las líneas de

operación no serán rectas.

Figura 8 Líneas de operación

Fuente: (Castillo, 2015)

Una vez terminada la etapa de fermentación y destilación, se ha pronosticado para la

planta productora de vodka un sistema de limpieza, el cual se describe a continuación.

2.17 Sistema de limpieza CIP (Clean in Place)

En la industria higiénica, como el caso de alimenticia, farmacéutica y cosmética la

limpieza sistemática de las instalaciones se debe considerar como parte integrante de la

19

producción y no como una opción (Edeflex, 2015). El concepto de limpieza de una

instalación sin desmontar ningún equipo ni tubería se resume limpieza CIP “Clean In Place”,

que se puede traducir por “Limpieza In Situ”. La limpieza in situ, se lleva a cabo mediante la

circulación de agua y disoluciones de productos químicos calientes a través del equipo o

tubería que trabaja en contacto con los productos. Su acción física, química y bacteriológica

elimina la suciedad y los microorganismos de las superficies. En el más amplio sentido de la

palabra, el proceso de limpieza comprende tres estadios: a) limpieza, eliminación de

suciedad, b) desinfección, reducción del número de bacterias residual en los depósitos y

superficies pulidas, y c) esterilización, eliminación de todas las bacterias (Edeflex, 2015).

La función de la unidad de limpieza CIP es la de preparar las soluciones de limpieza en

la concentración y temperatura adecuadas y programar los distintos ciclos necesarios para la

limpieza de todos los elementos de la planta controlando variables como temperatura, caudal

y/o presión. Además, debe funcionar de una manera ordenada, minimizando el consumo

energético, y con versatilidad en los programas de limpieza (Edeflex, 2015).

Como uno de los objetivos del trabajo de titulación, es desarrollar los planos del diseño

de la planta productora de vodka en AutoCAD, describimos a continuación esta herramienta

informática.

2.18 AutoCAD

Según Peralta (2008), el término AutoCAD surge como creación de la compañía

Autodesk, teniendo su primera aparición en 1982. AutoCAD es un software reconocido a

nivel internacional por sus amplias capacidades de edición, que hacen posible el dibujo

digital de planos de edificios o la recreación de imágenes en 3D.

AutoCAD es uno de los programas más usados, elegido por arquitectos, diseñadores

gráficos e ingenieros. Desglosando su nombre, se encuentra que CAD refiere a Diseño

Asistido por Computadora (por sus siglas en inglés).

20

3 METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

3.1 Proceso Experimental

Para la obtención de etanol a partir de la papa, entre los procesos principales se

encuentran la obtención de almidón, en la figura 9 se indica el proceso.

Figura 9 Diagrama de Flujo para la Obtención de Almidón

Materia Prima (Papa)

Recepción

Clasificación

Pesado

Lavado

Pelado

Pesado

Rallado

Sedimentación

Papa Deteriorada

Agua Lodos

Materia prima limpia

Adquisición de la papa

Materia prima sin corteza

Materia prima rallada

Secado

Eliminación de agua

T = 45° ; t= 3 horas, materia prima seca

21

Una vez obtenido el almidón, se realiza los siguientes procesos que son: hidrólisis del

almidón, sacarificación, fermentación y destilación. En la figura 10 se indica el proceso.

Dilución

Hidrólisis del almidón

Sacarificación

Dilución

Esterilización

Fermentación

Filtración

Destilación

Vodka

Agua

α – alfamilasa

Glucoamilasa

Agua

Solución Calentada

Solución Hidrolizada

Solución Diluida

Embotellado

Etiquetado

Almacenamiento

ActivaciónLevadura

Solución Azucarada

Solución Alcohólica

Solución Fermentada con levaduras

Solución Esterilizada

Eliminar bacterias, mohos, hongos

CO2

Levadura

Residuos

Almidón

Figura 10 Diagrama de Flujo para la Obtención de Vodka

22

3.2 Datos iniciales para el diseño de la planta productora de vodka.

Una vez establecida la teoría para el diseño del proceso, es conveniente seleccionar las

variables necesarias para diseñar: a) el tanque de mezcla, que se observa en la tabla 2, b) el

proceso de fermentación en la tabla 3, c) la unidad de destilación diferencial por cargas en la

tabla 4, d) el proceso de condensación en la tabla 5, y e) el proceso de vaporización en la

tabla 6.

Tabla 2 Variables dependientes del proceso de hidrólisis del almidón y sacarificación (tanque de

mezcla)

Proceso Parámetros Valores

Hidrólisis del

almidón

MT-3

Enzima 𝛼 𝑎𝑚𝑖𝑙𝑎𝑠𝑎

Temperatura 75–90°C

Tiempo 1-0,5 horas

pH 6-7

Sacarificación

MT-3

Enzima Glucoamilasa


Tiempo 1-0,5 horas

pH 4-5

Agitación

MT-36

Constante de proporcionalidad 70

Número del agitador 5,6

Número de revoluciones por minuto 150

Tabla 3 Variables dependientes del proceso de fermentación (tanque de fermentación)

Fermentación

FT-36


Tiempo 68-72 horas

pH 3,5 a 5,5

Volumen 50 litros

Agitación

FT-36

Constante de proporcionalidad 70

Número del agitador 5,6

Número de revoluciones por minuto 150

23

Tabla 4 Variables dependientes del proceso de destilación diferencial por cargas

Destilación

DK-48

Alimentación

Presión 540 mmHg

𝑇𝑒𝑏𝑢𝑙𝑙𝑖𝑐𝑖ó𝑛 𝑎𝑔𝑢𝑎 91 °C

𝑇𝑒𝑏𝑢𝑙𝑙𝑖𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 70°C

Fracción en %V/V agua 0,85

Fracción en %V/V etanol 0,15

𝜌𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 789 𝑘𝑔

𝑚3

𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎 1000

𝑘𝑔

𝑚3

𝑃𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 46𝑔

𝑚𝑜𝑙

𝑃𝑀𝑎𝑔𝑢𝑎 18 𝑔

𝑚𝑜𝑙

Destilado

Fracción en %V/V agua 0,4

Fracción en %V/V etanol 0,6

Tabla 5 Variables dependientes del proceso de condensación

Condensación

CHE-51

Línea de

Producto

Flujo másico 𝑄𝑚 = 50

𝑘𝑔

ℎ

Diámetro 0,04 m

Velocidad de gases 30 𝑚 𝑠⁄

Presión 0,72 bares

Temperatura 90,67°C

𝜌𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑔𝑢𝑎 0,43𝑘𝑔

𝑚3

𝜇𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑔𝑢𝑎 1,17 ∗ 10−5 𝑃𝑎 − 𝑠

ℎ𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑎 379,81 𝑘𝐽

𝑘𝑔

ℎ𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 2660,63 𝑘𝐽

𝑘𝑔

𝑋𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 1

Línea de

Servicio

Velocidad de líquidos 2,5 𝑚 𝑠⁄

Presión 3 bares

Temperatura inicial 15 °C

Entalpía inicial 63,27 𝑘𝐽

𝑘𝑔

Temperatura final 50 °C

Entalpía final 209,58 𝑘𝐽

𝑘𝑔

24

Tabla 6 Variables dependientes del proceso del Vaporización (calentador)

Vaporización

RB-49

Línea de

Servicio

Flujo másico 𝑄𝑚 = 50

𝑘𝑔

ℎ

Diámetro 0,02 m

Velocidad de gases 30 𝑚 𝑠⁄

Presión 0,72 bares

Temperatura 130 °C

𝜌𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑔𝑢𝑎 1,30𝑘𝑔

𝑚3

𝜇𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑔𝑢𝑎 2,11 ∗ 10−4 𝑃𝑎 − 𝑠

ℎ𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑎 525,06 𝑘𝐽

𝑘𝑔

ℎ𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 2713,10 𝑘𝐽

𝑘𝑔

Línea de

Producto

Velocidad de líquidos 2,5 𝑚 𝑠⁄

Presión 5 bares

Temperatura inicial 15 °C

Entalpía inicial 63,46 𝑘𝐽

𝑘𝑔

Temperatura final 50 °C

Entalpía final 209,71 𝑘𝐽

𝑘𝑔

25

4 CÁLCULOS

Los cálculos que se detallan a continuación están basados en las Buenas Prácticas de

Ingeniería (GEP), por su acrónimo en inglés (Good Engineering Practices) (Asme, 2009).

4.1 Dimensionamiento del tanque de mezcla

Para sistemas que trabajan con presiones bajas, es decir, presiones cercanas a la

atmosférica es recomendable usar una relación de aspecto de H

DT= 1,25 a 1,5. Por lo tanto, la

altura es especificada para almacenar únicamente el volumen del medio líquido, por lo que

proporcionamos una holgura en la altura, por lo cual al volumen nominal se usa un factor de

1,15 obteniendo:

Cálculo del volumen total del tanque de mezcla

𝑉𝑇 = 𝑉𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 ∗ 1,15

𝑉𝑇 = 50 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 ∗ 1,15

𝑉𝑇 = 58 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠

Usando la relación de aspecto de:

H

D𝑇= 1,5

𝐻 = 1,5 D𝑇

Para determinar las dimensiones del tanque de mezcla usamos las relaciones estándares

de dimensionamiento de tanques agitados.

𝑉𝑇 =𝜋 ∗ 𝐷𝑇

2

4∗ 𝐻

Dónde:

𝑉𝑇 = volumen total del tanque

𝐷𝑇 = diámetro interior del tanque

𝐻 = es la altura del tanque

26


2

4∗ 𝐻

Cálculo del diámetro interior del tanque


2

4∗ (1,5 D𝑇)

D𝑇 = (4 ∗ 𝑉𝑇

𝜋 ∗ 1,5)

1/3

𝐷𝑇 = 0,366 𝑚

Cálculo de la altura del tanque

𝐻 = 1,5 (0,366 𝑚)

𝐻𝑇 = 0,55 𝑚

Dimensionamiento del Agitador

El tipo de agitador que se utilizara se muestra en la Figura 11. En la Tabla 7

encontramos su respectiva constante (𝑘1) y número de agitador (𝑁𝑝).

Tabla 7 Constante de proporcionalidad y número del agitador de Turbina

Rushton

Tipo de Agitador 𝑘1 𝑁𝑝

Turbina Rushton 70 5,6

Figura 11 Agitador de Turbina Rushton

La turbina Rushton es ideal para la fermentación. Las paletas de hélices Rushton son

planas y colocadas verticalmente a lo largo del eje de agitación, produciendo un flujo radial

unidireccional; por lo común son utilizadas en fermentaciones que no requieren altas tasas de

27

oxígeno (proceso anaeróbico) tales como la levadura, bacterias y algunos hongos.

Ubicación:

La ubicación de los agitadores en el tanque depende del tipo de turbina, sin embargo,

para los agitadores: turbina de Rushton, Canalete y Hélice marina se pueden sacar las

relaciones adimensionales correspondientes al agitador, demostradas en la tabla 8, y

dependiendo de la altura y diámetro del tanque como se observa en la figura 12.

Figura 12 Agitador de Turbina Rushton con Relaciones Adimensionales

Tabla 8 Relaciones adimensionales y valores de las dimensiones del agitador

Relación Valor Medida Valor

𝐷𝑇Di

⁄ 1,5 DT 0,366

HTDi

⁄ 2,2 HT 0,55

𝐻𝑖Di

⁄ 0,6 Hi 0,15

LiDi

⁄ 0,6 Li 0,14

WiDi

⁄ 0,8 Wi 0,2

𝑊𝑏𝐷𝑇

⁄ 0,5 Wb 0,17

DiHT

⁄ 0,5 Di 0,25

Dónde:

DT= es el diámetro total del tanque (m)

HT= es la altura total en el tanque (m)

Hi= es la distancia desde la parte inferior al agitador (m)

28

Wi= es el ancho del agitador (m)

Li= es el largo de las paletas del agitador (m)

Wb= es el ancho del contenedor(m)

Di= es el diámetro del agitador (m)

Nag = número de revoluciones del agitad

Los agitadores industriales de paletas giran a una velocidad comprendida entre 20 y 150

rpm. A velocidades muy bajas, un agitador de paletas produce una agitación suave en un

tanque sin placas deflectoras o cortacorrientes, las cuales son necesarias para velocidades

elevadas. De lo contrario, el líquido se mueve como un remolino que gira alrededor del

tanque, con una velocidad elevada, pero con poco efecto de mezcla.

Es por esto que el diseño del tanque de mezcla (Ver Anexo I) cuenta con placas

deflectoras o cortacorrientes, las mismas que se colocan en VisiMix, logrando de esta forma

una mezcla uniforme (Ver Figura 13).

Figura 13 Simulación del Agitador en VisiMix

Potencia del agitador

Ahora calculamos el número de Reynolds con una velocidad de 150 rpm debido a que

se realizó la simulación en VisiMix y no presento vórtice alguno con dicha velocidad (Ver

Figura 14).

29

Figura 14 Simulación de la Agitación con 150 rpm

Para realizar el cálculo necesitamos determinar la densidad y la viscosidad de la mezcla

agua- papa

Cálculo de la densidad de la mezcla

𝜌𝑚𝑧 = ∑ 𝑥𝑝𝑖 ∗ 𝜌𝑖

𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎 = 1000 𝑘𝑔

𝑚3

𝜌𝑝𝑎𝑝𝑎 = 1000 𝑘𝑔

𝑚3

𝜌𝑚𝑧 = 1000 𝑘𝑔

𝑚3

Cálculo de la viscosidad de la mezcla

𝜇𝑚 = ∑ 𝑥𝑝𝑖 ∗ 𝜇𝑖

𝜇𝑚 = (0,88 ∗ 1,2 𝑐𝑝 + 0,12 ∗ 8 𝑐𝑝)

𝜇𝑚 = 2,016 𝑐𝑝

𝜇𝑚 = 0,002016 𝑃𝑎. 𝑠 Por lo tanto, ya podemos calcular el número de Reynolds (Re):

𝑅𝑒 =𝑁𝑎𝑔 ∗ 𝐷𝑖

2 ∗ 𝜌𝑚

𝜇𝑚

30

𝑅𝑒 =(2,5 𝑟. 𝑝. 𝑠) ∗ (0,25 𝑚)2 ∗ (1000

𝑘𝑔𝑚3⁄ )

(0,002016𝑘𝑔

𝑚. 𝑠⁄ )

𝑅𝑒 = 77504,96 Régimen turbulento

Dónde:

ρmezcla = 1000 kg

m3 a 20 °C

μmezcla= viscosidad de la mezcla [Pa . s]

Con esto demostramos que el flujo en el interior del tanque para la fermentación está en

el régimen turbulento y podemos utilizar la siguiente expresión para calcular el consumo de

potencia sin aireación para el agitador Rushton de turbina:

𝑃 = 𝑁𝑝 ∗ 𝜌𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 ∗ 𝑁𝑟.𝑝.𝑠3 ∗ 𝐷𝑖

5

𝑃 = 5,6 ∗ 1000 𝑘𝑔

𝑚3∗ (2,5 𝑟. 𝑝. 𝑠)3 ∗ (0,25 𝑚)5

𝑃 = 85,45 𝑊

𝑃 = 0,12 ℎ𝑝

Una vez determinado el volumen, la altura y el tipo de agitador del tanque de mezcla, la

solución (agua + papa), entra al tanque de fermentación, para lo cual se realiza el diseño del

tanque de fermentación teniendo en cuenta que el agitador es el mismo del tanque de mezcla

(Rushton), por lo cual no es necesario repetir su dimensionamiento.

4.2 Dimensionamiento del tanque para la fermentación

Cálculo del tiempo de fermentación

Para determinar el volumen del tanque para la fermentación necesario para producir

50 litros/carga, debemos calcular el tiempo necesario para llevar a cabo la transformación de

glucosa a etanol

𝐭𝐭 = 𝐭𝐜 + 𝐭𝐑 + 𝐭𝐃 + 𝐭𝐋

Dónde:

tc = es el tiempo requerido para cargar el biorreactor con la solución rica en

31

sustrato e inocular,

tR = es el tiempo de bioconversión del sustrato en etanol,

tD = es el tiempo de descarga de producto más vinazas

tL = es el tiempo necesario para limpiar, esterilizar y realizar cualquier

acondicionamiento del tanque para fermentación antes de cargar sustrato e inocular

nuevamente.

El tiempo de transformación de glucosa a etanol, es de 68 a 72 horas, según GUNT,

(2010) por lo cual se tomará un tiempo de 70 horas, el tiempo de carga y descarga se

supondrán de 0,25 horas para cada uno debido a que la carga de alimentación no es muy alta,

y para el tiempo de limpieza y esterilización de 0,5 horas.

𝑡𝑡 = 0,25 + 70 + 0,25 + 0,5 = 71 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠

El tiempo de fermentación, es calculado, para conocer cuánto tiempo va a durar dicho

proceso una vez implementada la planta productora de vodka, debido a que es el proceso que

tarda más tiempo y así realizar una estimación de cuanto se podría producir.

Cálculo del volumen del tanque para fermentación

La altura es diseñada para almacenar únicamente el volumen del medio líquido, por eso

sobre diseñamos la altura usando una relación de aspecto de H

DT= 1,25 a 1,5; para dar lugar

al CO2 generado en la fermentación, el aumento al volumen por biomasa, entre otros, usando

al volumen nominal una relación de 1,15 obteniendo así:

Cálculo del volumen total del tanque para fermentación

𝑉𝑇 = 𝑉𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 ∗ 1,15

𝑉𝑇 = 50 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 ∗ 1,15


Usando la relación de aspecto de:

32

H

D𝑇= 1,5

𝐻 = 1,5 D𝑇

Para determinar las dimensiones del tanque para la fermentación usamos las relaciones

estándares de dimensionamiento de tanques agitados.


2

4∗ 𝐻

Dónde:

𝑉𝑇 = volumen total del tanque

𝐷𝑇 = diámetro interior del tanque

𝐻 = es la altura del tanque


2

4∗ 𝐻

Cálculo del diámetro interior del tanque para fermentación


2

4∗ (1,5 D𝑇)

D𝑇 = (4 ∗ 𝑉𝑇

𝜋 ∗ 1,5)

1/3

𝐷𝑇 = 0,366 𝑚

Cálculo de la altura del tanque para fermentación

𝐻 = 1,5 (0,366 𝑚)

𝐻𝑇 = 0,55 𝑚

Una vez concluida la fermentación (agua + etanol), es dirigida a la unidad de destilación

diferencial por cargas para de esta manera obtener el volumen de etanol destilado.

4.3 Diseño de la unidad de destilación diferencial por cargas

Para el diseño de la unidad de destilación para la separación de la mezcla etanol-agua, se

ha seleccionado una unidad de destilación simple o diferencial debido a su bajo costo y por

ser una de las unidades más factible en su adquisición (Figura 6), y las condiciones para el

33

diseño de la misma se encuentran en la tabla 9.

Tabla 9 Condiciones de Operación en la Alimentación (Wo)

Representación Parámetro Valor

P Presión 540 mm Hg

%volumen etanol 𝑋𝑖 𝑊𝑜 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 0,15

%volumen agua 𝑋𝑖 𝑊𝑜 𝑎𝑔𝑢𝑎 0,85

4.3.1 Cálculo de la densidad de la solución etanol-agua en la carga inicial de la

columna de destilación (Wo).

Se procede a determinar densidades de los componentes puros como también sus

fracciones en masa para poder de esta manera determinar la densidad de la solución.

Cálculo del volumen de etanol puro

𝑉𝑊𝑜 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 𝑋𝑖 𝑊𝑜 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 ∗ 𝑉𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙

𝑉𝑊𝑜 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 0,15 ∗ 50 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠

𝑉𝑊𝑜 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 7,5 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 ∗ 1000 𝑚𝑙

1 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜

𝑉𝑊𝑜 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 7500 𝑚𝑙

Cálculo de la masa del etanol

𝑚 𝑊𝑜 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 𝑉𝑊𝑜 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 ∗ 𝜌𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙

𝜌𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 0,789 𝑔

𝑚𝑙

𝑚 𝑊𝑜 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 7500 𝑚𝑙 ∗ 0,789 𝑔

𝑚𝑙

𝑚 𝑊𝑜 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 5917,5 𝑔

𝑚 𝑊𝑜 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 5,92 𝑘𝑔

Cálculo del volumen de agua puro

𝑉𝑊𝑜 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑋𝑖 𝑊𝑜 𝑎𝑔𝑢𝑎 ∗ 𝑉𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙

𝑉𝑊𝑜 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 0,85 ∗ 50 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠

𝑉𝑊𝑜 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 42,5 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 ∗ 1000 𝑚𝑙


34

𝑉𝑊𝑜 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 42500 𝑚𝑙

Cálculo de la masa del agua

𝑚𝑊𝑜 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑉𝑊𝑜 𝑎𝑔𝑢𝑎 ∗ 𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎

𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎 = 1 𝑔

𝑚𝑙

𝑚𝑊𝑜 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 42500 𝑚𝑙 ∗ 1 𝑔

𝑚𝑙

𝑚𝑊𝑜 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 42500 𝑔

𝑚𝑊𝑜 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 42,5 𝑘𝑔

Cálculo de la masa total de la solución

𝑚𝑊𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑚 𝑊𝑜 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 + 𝑚𝑊𝑜 𝑎𝑔𝑢𝑎

𝑚𝑊𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 5,92 𝑘𝑔 + 42,5 𝑘𝑔

𝑚𝑊𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 48,42 𝑘𝑔

Cálculo de la fracción en peso de etanol

𝑋𝑝 𝑊𝑜 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 =𝑚 𝑊𝑜 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙

𝑚𝑊𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

𝑋𝑝 𝑊𝑜 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 5,92 𝑘𝑔

48,42 𝑘𝑔

𝑋𝑝 𝑊𝑜 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 0,12

Cálculo de la fracción en peso de agua

𝑋𝑝 𝑊𝑜 𝑎𝑔𝑢𝑎 =𝑚𝑊𝑜 𝑎𝑔𝑢𝑎

𝑚𝑊𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

𝑋𝑝 𝑊𝑜 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 42,5 𝑘𝑔

48,42 𝑘𝑔

𝑋𝑝 𝑊𝑜 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 0,88

35



𝜌𝑚𝑧 = (0,88 ∗ 1000 𝑘𝑔

𝑚3 + 0,12 ∗ 789

𝑘𝑔

𝑚3)

𝜌𝑚𝑧 = 970 𝑘𝑔

𝑚3

𝜌𝑚𝑧 = 0,97 𝑔

𝑚𝑙

4.3.2 Cálculo de las fracciones molares de etanol y agua en la carga inicial de la

columna de destilación (Wo).

El vodka normalmente se especifica por su fracción volumétrica sin embargo para hacer

cálculos de dimensionamiento de unidad de destilación se necesita las concentraciones en

fracción molar para lo que se procede a transformar de fracción volumétrica a molar.

Cálculo del número de moles de etanol

nWo etanol =m Wo etanol

Metanol

Dónde

𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = es el peso molecular del etanol 𝑔

𝑚𝑜𝑙

𝑛𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 =5917,5 𝑔

46𝑔

𝑚𝑜𝑙

𝑛𝑊𝑜 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 128,64 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

Cálculo del número de moles de agua

nWo agua =mWo agua

Magua

Dónde

𝑀𝑎𝑔𝑢𝑎 = es el peso molecular del agua 𝑔

𝑚𝑜𝑙

𝑛𝑎𝑔𝑢𝑎 =42500 𝑔

18𝑔

𝑚𝑜𝑙

36

𝑛𝑎𝑔𝑢𝑎 = 2361,11 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

Cálculo del número total de moles

𝑛𝑊𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 = 𝑛𝑊𝑜 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 + 𝑛𝑊𝑜 𝑎𝑔𝑢𝑎

𝑛𝑊𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 = 128,64 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 + 2361,11 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

𝑛𝑊𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 = 2489,75 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

Cálculo de la fracción molar del etanol

𝑋𝑛 𝑊𝑜 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 =𝑛𝑊𝑜 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙

𝑛𝑊𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠

𝑋𝑛 𝑊𝑜 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 =128,64 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

2489,75 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

𝑋𝑛 𝑊𝑜 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 0,05

Cálculo de la fracción molar del agua

𝑋𝑛 𝑊𝑜 𝑎𝑔𝑢𝑎 =𝑛𝑊𝑜 𝑎𝑔𝑢𝑎

𝑛𝑊𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠

𝑋𝑛 𝑊𝑜 𝑎𝑔𝑢𝑎 =2361,11 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

2489,75 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

𝑋𝑛 𝑊𝑜 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 0,95

Normalmente el contenido de alcohol del vodka se encuentra entre 37 % y 50 % V/V,

para nuestra planta hemos escogido el 40% en volumen de destilado y las condiciones de

operación se muestran en la tabla 10.

Tabla 10 Condiciones de Operación en el Destilado (D)

Representación Parámetro Valor

P Presión 540 mm Hg

%volumen etanol 𝑋𝑖 𝐷 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 0,40

%volumen agua 𝑋𝑖 𝐷 𝑎𝑔𝑢𝑎 0,60

37

4.3.3 Cálculo de la densidad de la solución etanol-agua en la corriente de

destilado (D).

Se procede a determinar densidades de los componentes puros como también sus

fracciones en masa para poder de esta manera determinar la densidad de la solución.

Cálculo del volumen de etanol puro

Base de cálculo:

𝑉𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 = 50 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠

𝑉𝐷 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 𝑋𝑖 𝐷𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 ∗ 𝑉𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙

𝑉𝐷 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 0,40 ∗ 50 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠

𝑉𝐷 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 20 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 ∗ 1000 𝑚𝑙


𝑉𝐷 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 20 000 𝑚𝑙

Cálculo de la masa del etanol

𝑚𝐷 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 𝑉𝐷 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 ∗ 𝜌𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙


𝑚𝑙

𝑚𝐷 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 20 000 𝑚𝑙 ∗ 0,789 𝑔

𝑚𝑙

𝑚𝐷 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 15 780 𝑔

𝑚𝐷 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 15,78 𝑘𝑔

Cálculo del volumen de agua puro

𝑉𝐷 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑋𝑖 D 𝑎𝑔𝑢𝑎 ∗ 𝑉𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙

𝑉𝐷 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 0,60 ∗ 50 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠

𝑉𝐷 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 30 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 ∗ 1000 𝑚𝑙


𝑉𝐷 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 30 000 𝑚𝑙

38

Cálculo de la masa del agua

𝑚𝐷 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑉𝐷 𝑎𝑔𝑢𝑎 ∗ 𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎


𝑚𝑙

𝑚𝐷 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 30 000 𝑚𝑙 ∗ 1 𝑔

𝑚𝑙

𝑚𝐷 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 30 000 𝑔

𝑚𝐷 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 30 𝑘𝑔

Cálculo de la masa total de la solución de destilado

𝑚𝐷 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑚𝐷 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 + 𝑚𝐷 𝑎𝑔𝑢𝑎

𝑚𝐷 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 15,78 𝑘𝑔 + 30 𝑘𝑔

𝑚𝐷 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 45,78 𝑘𝑔

Cálculo de la fracción en peso de etanol

𝑋𝑝 𝐷 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 =𝑚𝐷 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙

𝑚𝐷 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

𝑋𝑝 𝐷 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 15,78 𝑘𝑔

45,78 𝑘𝑔

𝑋𝑝 𝐷 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 0,34

Cálculo de la fracción en peso de agua

𝑋𝑝 𝐷 𝑎𝑔𝑢𝑎 =𝑚𝐷 𝑎𝑔𝑢𝑎

𝑚𝐷 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

𝑋𝑝 𝐷 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 30 𝑘𝑔

45,78 𝑘𝑔

𝑋𝑝 𝐷 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 0,66

39



𝜌𝑚𝑧 = (0,66 ∗ 1000 𝑘𝑔

𝑚3 + 0,34 ∗ 789

𝑘𝑔

𝑚3)

𝜌𝑚 = 928,26 𝑘𝑔

𝑚3

𝜌𝑚 = 0,93 𝑔

𝑚𝑙

4.3.4 Cálculo de las fracciones molares de etanol y agua en la corriente de

destilado (D).

El vodka normalmente se especifica por su fracción volumétrica sin embargo para hacer

cálculos de dimensionamiento de la unidad de destilación se necesita las concentraciones en

fracción molar para lo que se procede a transformar de fracción volumétrica a molar.

Cálculo del número de moles de etanol

𝑛𝐷 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 =𝑚𝐷 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙

𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙

Dónde

𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = es el peso molecular del etanol 𝑔

𝑚𝑜𝑙

𝑛𝐷 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 =15 780 𝑔

46𝑔

𝑚𝑜𝑙

𝑛𝐷 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 343,04 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

Cálculo del número de moles de agua

𝑛𝐷 𝑎𝑔𝑢𝑎 =𝑚𝐷 𝑎𝑔𝑢𝑎

𝑀𝑎𝑔𝑢𝑎

Dónde

𝑀𝑎𝑔𝑢𝑎 = es el peso molecular del agua 𝑔

𝑚𝑜𝑙

40

𝑛𝐷 𝑎𝑔𝑢𝑎 =30 000 𝑔

18𝑔

𝑚𝑜𝑙

𝑛𝐷 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 1666,67 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

Cálculo del número total de moles

𝑛𝐷 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 = 𝑛𝐷 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 + 𝑛𝐷 𝑎𝑔𝑢𝑎

𝑛𝐷 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 = 343,04 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 + 1666,67 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

𝑛𝐷 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 = 2009,71 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

Cálculo de la fracción molar del etanol

𝑋𝑛 𝐷 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 =𝑛𝐷 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙

𝑛𝐷 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠

𝑋𝑛 𝐷 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 =343,04 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

2009,71 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

𝑋𝑛 𝐷 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 0,17

Cálculo de la fracción molar del agua

𝑋𝑛 𝐷 𝑎𝑔𝑢𝑎 =𝑛𝐷 𝑎𝑔𝑢𝑎


𝑋𝑛 𝐷 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 1666,67 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

2009,71 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

𝑋𝑛 𝐷 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 0,83

Obteniendo la fracción molar de destilado de etanol (vapor) de 0,17 se toma el valor del

líquido de 0,02 de los datos del equilibrio líquido-vapor (Ver Anexo B).

De la figura 15 se obtiene la regresión polinómica de la curva de equilibrio, se sabe que

es correcta debido a que el ajuste de la ecuación R² = 0,997 es cercano a 1, para de esta

manera integrar la ecuación, con los valores molares obtenidos en el destilado y usando la

ecuación (1) de Rayleigh, mientras que x e y son calculados mediante el algoritmo (Ver

anexo A).

41

Figura 15 Curva de Equilibrio Líquido Vapor

∫dx

(y − x)= ∫

dW

w= ln

W

Wo

W

Wo

x

xo

Dónde

xo = es la fracción molar inicial de carga

𝑥 = es la fracción molar final de carga

𝑦 = es la fracción molar del destilado

Wo = es la carga inicial (moles)

W = es el residuo (moles)

4.3.5 Cálculo del número de moles de etanol y agua en la corriente de residuo

(W).

Con todos los cálculos anteriores ya podemos determinar las moles en el residuo, para

luego determinar las concentraciones de etanol y agua.

Cálculo del número de moles en la corriente de residuo (W).

y = -33,46x6 + 113,44x5 - 151,04x4 + 100,52x3 - 34,901x2 + 6,3754x + 0,0534

y = -33,46x6 + 113,44x5 - 151,04x4 + 100,52x3 -34,901x2 + 6,3754x + 0,0534

R² = 0,9978

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

0,00 0,50 1,00

Y

X

Curva de Equilibrio líquido vapor

42

∫𝑑𝑥

𝑃(𝑥) − 𝑥

0,02

0,05

Determinando así la integral:

∫1

(−33,46 𝑥6 + 113,4 𝑥5 − 151 𝑥4 + 100,5 𝑥3 − 34,9 𝑥2 + 5,375 𝑥 + 0,053)𝑑𝑥

0,02

0,05

= −0,156845

ln𝑊

𝑊𝑜= ∫

𝑑𝑥

𝑃(𝑥) − 𝑥

0,02

0,05

ln𝑊

𝑊𝑜= −0,156845

𝑒𝑙𝑛

𝑊

𝑊𝑜 = −0,156845

𝑊

𝑊𝑜= 𝑒−0,156845

𝑊 = 𝑒−0,156845 ∗ 𝑊𝑜

𝑊 = 𝑒−0,156845 ∗ (2489,75 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠)

𝑊 = 2128,33 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

Cálculo del número de moles de etanol en el residuo

𝑛𝑊 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 = 2128,33 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

𝑛𝑊 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 = 𝑛𝑊 𝑎𝑔𝑢𝑎 + 𝑛𝑊 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙

𝑥𝑛𝑊 = 0,02 Se obtuvo de la curva L-V

𝑥𝑛𝑊 =𝑛𝐷 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙


𝑛𝑊 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 𝑥𝑛𝐷 ∗ 𝑛𝐷 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠

𝑛𝑊 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 0,02 ∗ (2128,33 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 )

𝑛𝑊 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 42,57 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

Cálculo del número de moles del agua en el residuo

𝑛𝑊 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑛𝑊 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 − 𝑛𝑊 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙

𝑛𝑊 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 2128,33 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 − 42,57 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

43

𝑛𝑊 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 2085,76 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

4.3.6 Cálculo de las concentraciones de etanol y agua de moles a litros en la

corriente de residuo (W).

Como se necesita saber la carga final del residuo en unidades de volumen es necesario

el cambio de concentración de moles a litros.

Cálculo de la masa de etanol de residuo

𝑛𝑊 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 𝑚𝑊 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙

𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙

𝑚𝑊 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 𝑛𝑊 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 ∗ 𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙

Dónde

Metanol= es el peso molecular del etanol g

mol

𝑚𝑊 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 42,57 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 ∗ 46 𝑔

𝑚𝑜𝑙

𝑚𝑊 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 1953,62 𝑔 ∗ 0,001 𝑘𝑔

1 𝑔

𝑚𝑊 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 1,95362 𝑘𝑔

Cálculo de la masa del agua del residuo

𝑛𝑊 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑚𝑊 𝑎𝑔𝑢𝑎

𝑀𝑎𝑔𝑢𝑎

𝑚𝑊 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑛𝑊 𝑎𝑔𝑢𝑎 ∗ 𝑀𝑎𝑔𝑢𝑎

Dónde

Magua= es el peso molecular del agua g

mol

𝑚𝑊 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 42,57 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 ∗ 18 𝑔

𝑚𝑜𝑙

𝑚𝑊 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 37543,68 𝑔 ∗ 0,001 𝑘𝑔

1 𝑔

𝑚𝑊 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 37,54368 𝑘𝑔

44

Cálculo del volumen de etanol de residuo

𝑉𝑊 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 𝑚𝑊 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙

𝜌𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙


𝑐𝑚3

𝑉𝑊 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 1953,62 𝑔

0,789 𝑔

𝑐𝑚3

𝑉𝑊 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 2476,07𝑐𝑚3

𝑉𝑊 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 2,47607 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠

Cálculo del volumen de agua en el residuo

𝑉𝑊 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑚𝑊 𝑎𝑔𝑢𝑎

𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎


𝑐𝑚3

𝑉𝑊 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 37543,68 𝑔

1 𝑔

𝑐𝑚3

𝑉𝑊 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 37543,68 𝑐𝑚3

𝑉𝑊 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 37,54368 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠

Cálculo del volumen total en el residuo

𝑉𝑊 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑉𝑊 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 + 𝑉𝑊 𝑎𝑔𝑢𝑎

𝑉𝑊 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 2476,07𝑐𝑚3 + 37543,68 𝑐𝑚3

𝑉𝑤 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 40019,75 𝑐𝑚3

𝑉𝑊 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 40 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠

Cálculo del volumen total de destilado

Del balance General de masa se obtiene:

𝑉𝑊 + 𝑉𝐷 = 𝑉𝑊𝑜

45

𝑉𝐷 = 𝑉𝑊𝑜 − 𝑉𝑊

𝑉𝐷 = 50 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 − 40 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠

𝑉𝐷 = 10 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠

Como se puede ver el destilado corresponde al 20 % V/V de la carga inicial

Una vez concluido el proceso de destilación, la planta productora de vodka cuenta con

un lavado CIP para tanques, donde se especifica el caudal de limpieza.

4.4 Cálculo del caudal del lavado CIP (Clean In Place) para tanques

Sabiendo que para el cálculo del caudal del lavado CIP para tanques verticales se define

mediante el factor (Kc) que se encuentra en los siguientes valores:

𝐾𝐶 = 1490 − 1864 𝑙

ℎ ∗ 𝑚

Entonces nuestro factor escogido fue de 𝐾𝐶 = 1500𝑙

ℎ∗𝑚


𝐷𝑇 = 0,366 𝑚

Cálculo del perímetro de la circunferencia

P = π ∗ D

P = π ∗ 0,366 𝑚

P = 1,15 m

Cálculo del caudal de limpieza

Q = 𝐾𝐶 ∗ P

Q = 1500𝑙

ℎ ∗ 𝑚∗ 1,15 m

Q = 1725 𝑙

ℎ

Dicho caudal de limpieza se emplea para lo que es el tanque de mezcla, el fermentador y

la unidad de destilación.

46

Se procede a diseñar el condensador, porque es ahí donde el vapor caliente (mezcla

etanol-agua) se enfría, obteniendo así el destilado, el cual cuenta con un lado de producto

(vapor) y un lado de servicio (agua), para de esta manera pasar del estado de vapor al líquido

(destilado), los cuales se diseñan a continuación.

4.5 Diseño del condensador

4.5.1 Lado del Producto

Cálculo del Diámetro del Condensador

Según la norma alemana DIN, (ver tabla 11) para tuberías pequeñas sanitarias, que se

compran en Ecuador, se escogió una base de cálculo un flujo másico de Qm = 50kg

h para de

esta manera con ayuda de una hoja electrónica obtener el diámetro del condensador, siendo

de 36 mm, para lo cual se aproximó al diámetro nominal de 40.

Tabla 11 Norma DIN, diámetros

DIN DN, mm ID, mm ED, mm

trans area, mm2

6 6 8 28.27

8 8 10 50.27

10 10 12 78.54

15 16 19 201.06

20 20 23 314.16

25 26 29 530.93

32 32 35 804.25

40 38 41 1134.11

50 50 53 1963.50

65 66 70 3421.19

80 81 85 5153.00

100 100 104 7853.98

125 125 129 12271.85

150 150 154 17671.46

∅ = 40 𝑚𝑚 ∗1 𝑚

1000 𝑚𝑚

∅ = 0,04 𝑚

47

Cálculo de la Velocidad

Velocidad recomendada para gases:

25 < 𝑣𝑔 < 45 (𝑚

𝑠)

Entonces la velocidad seleccionada es de 30 (m

s)

Cálculo del Caudal

𝑄 = 𝑣 ∗ 𝐴

𝑄 = 30 (𝑚

𝑠) ∗

𝜋 ∗ 𝐷2

4

𝑄 = 30 (𝑚

𝑠) ∗

𝜋 ∗ (0,04 𝑚)2

4

𝑄 = 30 (𝑚

𝑠) ∗ 1,26 ∗ 10−3𝑚2

𝑄 = 0,0378 𝑚3

𝑠∗

3600 𝑠

1 ℎ

Q = 136m3

h

Asumir que se dimensiona el condensador para agua pura, colocando un factor de

seguridad. PH2O = f(temperatura)

Presión en Quito

P = 0,72 atm ó 0,72 bar

A partir de la presión, obtenemos las propiedades necesarias de las tablas de vapor tales

como:

T = 90,67 °C

ρvap = 0,43 kg

m3

Xvap = 1

hlíquida = 379,81 𝐾𝐽

𝑘𝑔

48

hvap = 2660,63 𝐾𝐽

𝑘𝑔

Cálculo de la entalpía total

h𝑇 = hlíquida + 1 ∗ (hvap − hlíquida)

h𝑇 = 379,81 𝐾𝐽

𝑘𝑔+ 1 ∗ (2660,63

𝐾𝐽

𝑘𝑔− 379,81

𝐾𝐽

𝑘𝑔)

h𝑇 = 2660,63𝐾𝐽

𝑘𝑔

Cálculo del Calor entregado

Q𝑒 = 𝑄𝑚 ∗ (h𝑇 − hlíquida)

Q𝑒 = 50𝑘𝑔

ℎ∗ (2660,63

𝐾𝐽

𝑘𝑔− 379,81

𝐾𝐽

𝑘𝑔)

Q𝑒 = 114041𝐾𝐽

ℎ

Y la viscosidad del agua se obtuvo haciendo uso los datos termodinámicos incluidos en

el software de simulación HYSYS como se muestra en la tabla 12.

μvap = 1,173 ∗ 10−5 𝑃𝑎 − 𝑠

Tabla 12 Datos obtenidos en HYSYS

Agua

Temperatura 90,67 °C

Presión 0,7193 bares

Flujo molar 1000 𝑘𝑔 𝑚𝑜𝑙𝑒

ℎ

Viscosidad 1,173e-005 Pa-s

Entalpía -1,326e+004 𝑘𝐽

𝑘𝑔

Cálculo del Número de Reynolds

𝑅𝑒 =𝑣 ∗ 𝐷 ∗ 𝜌

𝜇

Dónde:

𝜌 = es la densidad en kg

m3

𝜇 = viscosidad de la mezcla(Pa . s)

49

𝐷= es el diámetro de la tubería en (m)

𝑣 = es la velocidad (𝑚

𝑠)

𝑅𝑒 =(30

𝑚

𝑠) ∗ (0,04 𝑚) ∗ (0,43

kg

m3)

1,173 ∗ 10−5 𝑃𝑎 − 𝑠

𝑅𝑒 = 43989,77 Régimen Turbulento

Cálculo de la Masa de Vapor Condensando de agua (aproximación al destilado)

�̇�𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝐻2𝑂= ρvap ∗ 𝑄

�̇�𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝐻2𝑂= 0,43

kg

m3∗ 136

𝑚3

ℎ

�̇�𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝐻2𝑂= 58,48

𝑘𝑔

ℎ

4.5.2 Lado del Servicio

Se asume los siguientes datos presión, temperatura y entalpía a la entrada del agua:

P = 3 bares

To = 15 °C

Obteniendo la entalpia de las tablas de vapor:

ho = 63,27 KJ

kg

Se asume los siguientes datos presión, temperatura y entalpía a la salida del agua:

P = 3 bares

Tf = 50 °C


hf = 209,58 KJ

kg

Cálculo de la diferencia media logarítmica

MLDT =∆𝑇𝑔 − ∆𝑇𝑝

ln (∆𝑇𝑔

∆𝑇𝑝)

50

Dónde:

∆𝑇𝑔 = es la variación de temperatura grande °𝐶

∆𝑇𝑝= es la variación de temperatura pequeña °𝐶

MLDT =75,67 °𝐶 − 40,67°𝐶

ln (75,67°𝐶

40,67°𝐶)

MLDT = 56,37 °C

Cálculo de la masa de enfriamiento del agua

Q𝑒 = 𝑚𝑒𝑛𝑓𝑟𝑖𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐻2𝑂∗ ∆ℎ𝑓

Q𝑒 = 𝑚𝑒𝑛𝑓𝑟𝑖𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐻2𝑂∗ (ℎ𝑓 − ℎ𝑜)

𝑚𝑒𝑛𝑓𝑟𝑖𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐻2𝑂=

Q𝑒

(ℎ𝑓 − ℎ𝑜)

𝑚𝑒𝑛𝑓𝑟𝑖𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐻2𝑂=

114041𝐾𝐽

ℎ

(209,58 𝐾𝐽

𝑘𝑔− 63,27

𝐾𝐽

𝑘𝑔)

𝑚𝑒𝑛𝑓𝑟𝑖𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐻2𝑂= 779,45

𝑘𝑔

ℎ

Cálculo del calor recibido

Q𝑟 = 𝑚𝑒𝑛𝑓𝑟𝑖𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐻2𝑂∗ (h𝑓 − ℎ𝑜)

Q𝑟 = 779,45𝑘𝑔

ℎ∗ (209,58

𝐾𝐽

𝑘𝑔

𝐾𝐽

𝑘𝑔− 63,27

𝐾𝐽

𝑘𝑔)

Q𝑟 = 114041𝐾𝐽

ℎ

Cálculo del coeficiente total de transferencia de calor

Para realizar este cálculo tomamos como referencia lo establecido por la institución

británica de calefacción BEAMA, se obtiene la siguiente ecuación:

𝑈 = 2,15 ∗ 𝑣0,5 ∗ (0,7586 + 0,0135 𝑇 − 0,0001 𝑇2)

Dónde:

U = coeficiente total de transferencia de calor(kW

m2 K)

51

v = velocidad de agua en los tubos (m

s)

T = es la temperatura del condensador (°C)

Velocidad recomendada para líquidos:

0,85 < 𝑣𝐿 < 2,5 (𝑚

𝑠)

Se tomó la velocidad de 2,5 m

s

𝑈 = 2,15 ∗ (2,5 m

s)

0,5

∗ (0,7586 + 0,0135 (90,67 °𝐶) − 0,0001 (90,67 °𝐶)2)

𝑈 = 3,95 kW

𝑚2 °𝐾

Cálculo del Flujo del Agua

La densidad del agua a 15 °C es 𝜌𝐻2𝑂= 999

𝑘𝑔

𝑚3

Q =Q𝑟

𝜌𝐻2𝑂

Q =114041

𝐾𝐽

ℎ

999 𝑘𝑔

𝑚3

Q = 114,15 𝑚3

ℎ

Cálculo del área del transversal

Q = 𝑣 ∗ 𝐴

𝐴 = Q

𝑣

𝐴 = 114,15

𝑚3

ℎ∗

1 ℎ

3600 𝑠

2,5 𝑚

𝑠

𝐴 = 0,012 𝑚2

52

Cálculo del diámetro

𝐴 = 𝜋 ∗ 𝐷2

4

𝐷 = (4 ∗ 𝐴

𝜋)

1/2

𝐷 = (4 ∗ 0,012 𝑚2

𝜋)

1/2

𝐷 = 0,124 𝑚 ∗ 1000 𝑚𝑚

1 𝑚

𝐷 = 123 𝑚𝑚

Se coloca como diámetro nominal de 125 mm (Ver Tabla 11)

Cálculo del área de transferencia de calor

Q𝑟 = 𝑈 ∗ 𝐴 ∗ 𝑀𝐿𝐷𝑇

𝐴 = Q𝑟

𝑈 ∗ 𝑀𝐿𝐷𝑇

𝐴 =114041

𝐾𝐽

ℎ∗

1ℎ

3600 𝑠∗ 1°𝐶

3,95 kW

𝑚2 °𝐾∗ 56,37 °C ∗ 1°𝐾

𝐴 = 0,142 𝑚2

Cálculo del perímetro del condensador

𝑃 = 2 ∗ 𝜋 ∗ 𝑟

𝑃 = 𝜋 ∗ 𝐷

𝑃 = 𝜋 ∗ 125 𝑚𝑚

𝑃 = 392,7 𝑚𝑚 ∗ 1 𝑚

1000 𝑚𝑚

𝑃 = 0,393 𝑚

Cálculo de la altura del Condensador

𝐴 = 𝑃 ∗ 𝐻

𝐻 = 𝐴

𝑃

53

𝐻 =0,142 𝑚2

0,393 𝑚

𝐻 = 0,361 𝑚 ∗1000 𝑚𝑚

1 𝑚

𝐻 = 361 𝑚𝑚

Como se trabajó con agua se colocó un factor de seguridad, para lo que es el

condensado una mezcla binaria

𝑘 = 1,25

Dónde

𝑘 = factor de seguridad

𝐻 = 361 𝑚𝑚 ∗ 1,25

𝐻 = 451,25 𝑚𝑚 ∗1 𝑚

1000 𝑚𝑚

𝐻 = 0,45 𝑚

Se procede a diseñar el vaporizador (calentador), el mismo que cumple la función de

recircular el fermentado (agua + etanol) hasta llegar a la temperatura deseada, donde el etanol

empezara a evaporarse, cuenta con un lado de servicio (vapor) y un lado de producto (agua),

los mismos que serán diseñados a continuación.

4.6 Diseño del Vaporizador (Calentador)

4.6.1 Lado de Servicio

El diseño del vaporizador, se realizó en HYSYS, como se puede observar en la figura 16

los cálculos respectivos, asumiendo los siguientes datos:

𝑃 = 5 𝑏𝑎𝑟𝑒𝑠

𝑇 = 130 °𝐶

𝑄 = 748𝐾𝑔

ℎ

Se tomó dicho flujo másico, para que en la parte de vaporizado salgan los 50Kg

h que se

54

establecieron al diseñar el condensador y de esta manera conocer la cantidad de vapor

utilizado.

Figura 16 Datos obtenidos en HYSYS

Cálculo del Diámetro del vaporizador

Según la norma alemana DIN para tuberías pequeñas sanitarias, que se compran en

Ecuador, se escogió una base de cálculo un flujo másico de Qm = 50kg

h para de esta manera

con ayuda de Excel obtener el diámetro, siendo de 21 mm, para lo cual se aproximó al

diámetro nominal de 20. (Ver Tabla 9).

∅ = 20 𝑚𝑚 ∗1 𝑚

1000 𝑚𝑚

∅ = 0,02 𝑚

Cálculo de la Velocidad

Velocidad recomendada para gases:

25 < 𝑣𝑔 < 45 (𝑚

𝑠)

Entonces la velocidad seleccionada es de 30 (m

s)

Cálculo del Caudal

𝑄 = 𝑣 ∗ 𝐴

𝑄 = 30 (𝑚

𝑠) ∗

𝜋 ∗ 𝐷2

4

55

𝑄 = 30 (𝑚

𝑠) ∗

𝜋 ∗ (0,02 𝑚)2

4

𝑄 = 30 (𝑚

𝑠) ∗ 3,14 ∗ 10−4𝑚2

𝑄 = 0,00942 𝑚3

𝑠∗

3600 𝑠

1 ℎ

𝑄 = 33,93𝑚3

ℎ

Asumir que se dimensiona el condensador para agua pura, colocando un factor de

seguridad. PH2O = f(temperatura)

Presión en Quito

𝑃 = 0,72 𝑎𝑡𝑚 ó 0,72 𝑏𝑎𝑟

A partir de la presión, obtenemos las propiedades necesarias de las tablas de vapor tales

como:

𝑇 = 130 °𝐶

ρvap = 1,30kg

m3

Xvap = 1

hlíquida = 525,06 𝐾𝐽

𝑘𝑔

hvap = 2713,10 𝐾𝐽

𝑘𝑔

Cálculo de la entalpía total

h𝑇 = hlíquida + 1 ∗ (hvap − hlíquida)

h𝑇 = 525,06 𝐾𝐽

𝑘𝑔+ 1 ∗ (2713,10

𝐾𝐽

𝑘𝑔− 525,06

𝐾𝐽

𝑘𝑔)

h𝑇 = 2713,1𝐾𝐽

𝑘𝑔

56

Cálculo del calor entregado

Q𝑒 = 𝑄𝑚 ∗ (h𝑇 − hlíquida)

Q𝑒 = 50𝑘𝑔

ℎ∗ (2713,1

𝐾𝐽

𝑘𝑔− 525,06

𝐾𝐽

𝑘𝑔)

Q𝑒 = 109402𝐾𝐽

ℎ

Y la viscosidad se obtuvo de HYSYS, como se observa en la tabla 13 colocando las

propiedades obtenidas:

μvap = 2,11 ∗ 10−4 𝑃𝑎 − 𝑠

Tabla 13 Datos obtenidos en HYSYS

Agua

Temperatura 130 °C

Presión 5 bares

Viscosidad 2,111e-004Pa-s

Flujo Másico 50𝑘𝑔

ℎ

Cálculo del Número de Reynolds

𝑅𝑒 =𝑣 ∗ 𝐷 ∗ 𝜌

𝜇

Dónde:

ρ = es la densidad en kg

m3

μ = viscosidad de la mezcla(Pa . s)

D= es el diámetro de la tubería en (m)

v = es la velocidad (m

s)

𝑅𝑒 =(30

𝑚

𝑠) ∗ (0,02 𝑚) ∗ (1,30

kg

m3)

2,11 ∗ 10−4 𝑃𝑎 − 𝑠

𝑅𝑒 = 3696,68 Régimen de Transición

57

Cálculo de la Masa de Vapor Condensando de agua (aproximación al destilado)

�̇�𝑣𝑎ℎ𝑜 𝐻2𝑂= ρvap ∗ 𝑄

�̇�𝑣𝑎ℎ𝑜 𝐻2𝑂= 1,3

kg

m3∗ 33,93

𝑚3

ℎ

�̇�𝑣𝑎ℎ𝑜 𝐻2𝑂= 44,11

𝑘𝑔

ℎ

4.6.2 Lado del producto

Se asume los siguientes datos presión, temperatura y entalpía a la entrada del agua:

𝑃 = 5 𝑏𝑎𝑟𝑒𝑠

𝑇𝑜 = 15 °𝐶


ho = 63,46 KJ

kg

Se asume los siguientes datos presión, temperatura y entalpía a la salida del agua:

P = 4,5 bares

Tf = 50 °C


ℎ𝑓 = 209,71 𝐾𝐽

𝑘𝑔

Cálculo de la diferencia media logarítmica

MLDT =∆𝑇𝑔 − ∆𝑇𝑝

ln (∆𝑇𝑔

∆𝑇𝑝)

Dónde:

∆Tg = es la variación de temperatura grande °C

∆Tp= es la variación de temperatura pequeña °C

MLDT =115 °C − 80°C

ln (115°C

80°C)

MLDT = 96,44 °C

58

Cálculo de la masa de enfriamiento del agua

Q𝑒 = 𝑚𝑒𝑛𝑓𝑟𝑖𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐻2𝑂∗ ∆ℎ𝑓

Qe = menfriamiento H2O∗ (hf − ho)

menfriamiento H2O=

Qe

(hf − ho)

menfriamiento H2O=

109402KJ

h

(209,71 KJ

kg− 63,46

KJ

kg)

menfriamiento H2O= 748,04

kg

h

Cálculo del calor recibido

Q𝑟 = 𝑚𝑒𝑛𝑓𝑟𝑖𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐻2𝑂∗ (h𝑓 − ℎ𝑜)

Qr = 748,04kg

h∗ (209,71

KJ

kg− 63,46

KJ

kg)

Qr = 109400,85 KJ

h

Cálculo del coeficiente total de transferencia de calor

Para realizar este cálculo tomamos como referencia lo establecido por la institución

británica de calefacción BEAMA, se obtiene la siguiente ecuación:

𝑈 = 2,15 ∗ 𝑣0,5 ∗ (0,7586 + 0,0135 𝑇 − 0,0001 𝑇2)

Dónde:

U = coeficiente total de transferencia de calor(kW

m2 K)

v = velocidad de agua en los tubos (m

s)

T = es la temperatura del calentador(°C)

Velocidad recomendada para líquidos:

0,85 < vL < 2,5 (m

s)

Se tomó la velocidad de 2,5 m

s

59

U = 2,15 ∗ (2,5 m

s)

0,5

∗ (0,7586 + 0,0135 (130 °C) − 0,0001 (130 °C)2)

U = 2,80 kW

m2 °K

Cálculo del Flujo del Agua

La densidad del agua a 15 °C es 𝜌𝐻2𝑂= 999

𝑘𝑔

𝑚3

Q =Q𝑟

𝜌𝐻2𝑂

Q =109400,85

KJ

h

999 kg

m3

Q = 109,51 m3

h

Cálculo del área del transversal

Q = 𝑣 ∗ 𝐴

𝐴 = Q

𝑣

𝐴 = 109,51

𝑚3

ℎ∗

1 ℎ

3600 𝑠

2,5 𝑚

𝑠

𝐴 = 0,012 𝑚2

Cálculo del diámetro

𝐴 = 𝜋∗ 𝐷2

4

𝐷 = (4 ∗ 𝐴

𝜋)

1/2

𝐷 = (4 ∗ 0,012 𝑚2

𝜋)

1/2

𝐷 = 0,124 𝑚 ∗ 1000 𝑚𝑚

1 𝑚

𝐷 = 123 𝑚𝑚

60

Se coloca como diámetro nominal de 125 mm (Ver Tabla 12)

Cálculo del área de transferencia de calor

Q𝑟 = 𝑈 ∗ 𝐴 ∗ 𝑀𝐿𝐷𝑇

A = Qr

U ∗ MLDT

A =109400,85

KJ

h∗

1h

3600 s∗ 1°C

2,80 kW

m2 °K∗ 96,44 °C ∗ 1°K

A = 0,113 m2

Cálculo del perímetro del vaporizador

𝑃 = 2 ∗ 𝜋 ∗ 𝑟

P = π ∗ D

P = π ∗ 125 mm

P = 392,7 mm ∗ 1 m

1000 mm

P = 0,393 m

Cálculo de la altura del vaporizador

𝐴 = 𝑃 ∗ 𝐻

𝐻 = 𝐴

𝑃

𝐻 =0,113 𝑚2

0,393 𝑚

𝐻 = 0,288 𝑚 ∗1000 𝑚𝑚

1 𝑚

𝐻 = 288 𝑚𝑚

61

Como se trabajó con agua se colocó un factor de seguridad, para lo que es el

condensado de una mezcla binaria

𝑘 = 1,25

Dónde

𝑘 = factor de seguridad

𝐻 = 288 𝑚𝑚 ∗ 1,25

𝐻 = 360 𝑚𝑚 ∗1 𝑚

1000 𝑚𝑚

𝐻 = 0,36 𝑚

62

5 RESULTADOS

Una vez realizado el diseño se obtuvieron los siguientes datos: a) proceso de

hidrólisis-sacarificación (tabla 14), b) proceso de fermentación (tabla 15), c) proceso

de destilación diferencial por cargas (tablas 16, 17, 18 y 19), d) proceso de

condensación línea de producto (tabla 20), línea de servicio (tabla 21) y e) proceso de

vaporización línea de servicio (tabla 22) y línea de producto (tabla 23).

5.1 Resultados de la hidrólisis-sacarificación:

Tabla 14 Resultados del tanque de mezcla

Volumen total del tanque 58 litros

Altura total del tanque 0,55 metros

Diámetro interno tanque 0,366 metros

Agitador

Densidad de la mezcla (agua + papa) 1000 𝑘𝑔

𝑚3

Viscosidad de la mezcla (agua + papa) 0,002016 𝑃𝑎. 𝑠

Reynolds 77504,96 Régimen turbulento

Potencia del agitador 0,12 hp

5.2 Resultado de la fermentación

Tabla 15 Resultados de la fermentación

Tiempo 72,66 horas

Volumen total del tanque 58 litros

Altura total del tanque 0,55 metros

Diámetro interno tanque 0,366 metros

Agitador

Densidad de la mezcla (agua + papa) 1067,2 𝑘𝑔

𝑚3

Viscosidad de la mezcla (agua + papa) 0,002016 𝑃𝑎. 𝑠

Reynolds 827133 Régimen turbulento

Potencia del agitador 0,12 hp

63

5.3 Resultados de la Destilación

Tabla 16 Resultados de la Carga inicial (Wo)

Volumen puro de etanol 7,5 litros

Masa de etanol 5,92 kg

Volumen puro de agua 42,5 litros

Masa de agua 42,5 kg

Masa total 48,42 kg

%P/P de etanol 0,12

%P/P de agua 0,88

Densidad de la mezcla 970 𝑘𝑔

𝑚3

Moles %P/P de etanol 128,64 moles

Moles %P/P de agua 2361,11 moles

Número total de moles en %P/P 2489,75 moles

Fracción molar %P/P de etanol 0,05

Fracción molar %P/P de agua 0,95

Tabla 17 Resultados del Destilado (D)

Volumen puro de etanol 20 litros


Volumen puro de agua 30 litros

Masa de agua 30 kg

Masa total 45,78 kg

%P/P de etanol 0,34

%P/P de agua 0,66

Densidad de la mezcla 928,26 𝑘𝑔

𝑚3




Fracción molar %P/P de etanol 0,17

Fracción molar %P/P de agua 0,83

Tabla 18 Resultados del Residuo (W)





Masa de agua 37,54368 kg

Volumen de etanol 2,47607 litros

Volumen de agua 37,54368 litros

Volumen total 40 litros

64

Tabla 19 Volumen total de destilado

Volumen total de destilado 10 litros

5.4 Resultados de la condensación

Tabla 20 Resultados del Condensador (línea de Producto)

Caudal 136𝑚3

ℎ

Entalpia total 2660,63 𝑘𝐽

𝑘𝑔

Calor entregado 114041 𝑘𝐽

ℎ

Reynolds 43989,77 Turbulento

Masa de vapor condensado 58,48𝑘𝑔

ℎ

Tabla 21 Resultados del Condensador (línea de Servicio)

Diferencia media logarítmica 56,37 °C

Masa de enfriamiento del agua 779,45 𝑘𝑔

ℎ

Calor recibido 114041 𝑘𝐽

ℎ

Coeficiente total de transferencia de calor 3,95 𝑘𝑊

𝑚2°𝐾

Flujo de agua 114,15 𝑚3

ℎ

Área transversal 0,012 𝑚2

Diámetro 125 mm

Área de transferencia de calor 0,142 𝑚2

Perímetro 0,386 m

Altura del Condensador 0,46 m

5.5 Resultados de la Vaporización

Tabla 22 Resultados del Vaporizador (línea de servicio)

Caudal 33,93𝑚3

ℎ

Entalpia total 2713,1𝑘𝐽

𝑘𝑔

Calor entregado 109402𝑘𝐽

ℎ

Reynolds 3696,68 Régimen de Transición

Masa de vapor condensado 44,11𝑘𝑔

ℎ

65

Tabla 23 Resultados del Vaporizador (línea de producto)

Diferencia media logarítmica 96,44 °C

Masa de enfriamiento del agua 748,04 𝑘𝑔

ℎ

Calor recibido 109400,85 𝑘𝐽

ℎ

Coeficiente total de transferencia de calor 2,80𝑘𝑊

𝑚2°𝐾

Flujo de agua 109,51 𝑚3

ℎ

Área transversal 0,012 𝑚2

Diámetro 125 mm

Área de transferencia de calor 0,113𝑚2

Perímetro 0,393 m

Altura del Vaporizador 0,36 m

66

6 DISCUSIÓN

- La planta fue diseñada para su posible implementación en la ciudad de Quito, a pesar

de que obtener vodka a partir de la papa resultaría ser más caro debido a que no

contiene una mayor cantidad de almidón comparado con el centeno, la gran oferta de

papa en la serranía ecuatoriana permite darle la debida explotación como producto

emblemático o tradicional de la Región Andina, donde es muy factible conseguir

papas a bajo costo, para de esta manera tener nuestra propia marca país, es decir un

“Vodka Andino”. Esto hace que el vodka sea un licor económico que puede hacerse

fácilmente en un corto período de tiempo y a partir de materiales fácilmente

disponibles.

- El tanque de mezcla podría presentar una mayor dificultad de ser lavado, debido a que

en el proceso de hidrólisis del almidón se necesita temperaturas altas, lo que hace que

al desdoblar el almidón los productos se peguen a las paredes, así que se necesitaría

verificar el caudal de lavado, probando diferentes valores del factor (Kc).

- El tanque de mezcla tiene una tapa abatible para el ingreso de materia prima, en caso

de aumentar la producción de vodka, se necesitaría hacer una modificación en el

diseño del tanque para que pueda alimentarse en forma continua.

- En el tanque de fermentación, el sistema de cerrado del tanque, se lo podría

especificar, tomando en cuenta, por ejemplo, la tasa de producción de dióxido de

carbono.

- En el proceso de fermentación, se diseñó un tanque para la fermentación y no un

biorreactor, esto es debido a la ausencia de estimaciones termodinámicas relativas a la

cinética microbiana y rendimientos de crecimiento, además, la ausencia de valores

referenciales para las condiciones de operación del biorreactor, tales como: flujo de

gases (por ejemplo, oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono, entre otros), temperatura,

67

pH, oxígeno disuelto y velocidad de agitación, las mismas que deben ser

cuidadosamente monitoreadas y controladas. La misma propagación celular

(fenómeno conocido como Fouling) puede afectar la esterilidad y eficiencia del

biorreactor, para evitar esto, el ciclo de limpieza del biorreactor debe ser efectivo y los

materiales a utilizarse en su construcción, lo más sanitarios posibles, de ahí que en el

diseño se optó por formas redondeadas (Ver Anexo K), también hay que tomar en

cuenta que, en nuestro caso, el proceso es aerobio, por tanto, la transferencia másica

óptima de oxígeno es tal vez la tarea más difícil de lograr. El oxígeno se disuelve

poco en agua (y aún menos en caldos fermentados) y es relativamente escaso en el

aire (20,8 %). La transferencia de oxígeno usualmente se facilita por la agitación que

se requiere también para mezclar los nutrientes y mantener el medio de cultivo en

estado seudo-homogéneo. Sin embargo, existen límites para la velocidad de agitación,

como el posible daño ocasionado a los microorganismos debido a un esfuerzo de corte

excesivo, sin embargo, nuestra planta productora de vodka cuenta en el tanque de

fermentación con las características necesarias de monitoreo tales como un transmisor

de temperatura (TT), indicador de temperatura (TI), transmisor de pH (QT) y el cierre

de fermentación (Ver Anexo D).

- Se eligió para el diseño de la torre, una unidad de destilación diferencial por cargas,

debido a los factores económicos que esto implica, así como también al rendimiento

ya que el vodka está dentro del 37 a 50 %V/V, y por ello no es necesario una columna

de destilación con una zona de rectificación considerable (columna de platos o de

rellenos), porque la fracción de destilado que se obtendría tendría una mayor pureza.

- Según el diseño propuesto, la columna de destilación tiene la altura necesaria

(H=0,235 metros) (Ver Anexo M) para alcanzar una adecuada separación de los

componentes del sistema, si la altura fuese excesiva, estimamos que el costo de

68

operación aumentaría, ya que, al trabajar este equipo por gradiente de temperatura, el

gasto para energético para mantenerlo se incrementaría.

- El vaporizador (calentador) utilizado en este trabajo fue diseñado seleccionando

bronce como material ya que este metal nos brinda una buena transferencia de calor

por conducción, esto es debido a que su conductividad térmica es 116-186 W m-1 K-1,

la cual comparada con el valor de 16.3 W m-1 K-1 del acero inoxidable, es muy

superior, sin embargo, su construcción en bronce aumentaría el costo de fabricación

del equipo.

- Según el diseño del vaporizador (intercambiador de calor de tubos) se determinó un

tubo interno con un diámetro grande, por lo que se optó a configurar un

intercambiador de calor multi-tubular (4 tubos) con el cual mejoramos la distribución

para el área de transferencia de calor (Ver Anexo O).

- Se utilizó un intercambiador de calor de tubo y carcasa como condensador. Este

equipo está compuesto con 4 tubos internos, por donde circulara el condensado. Por la

parte externa de los tubos circulara el agua de enfriamiento, esto nos favorece al

intercambio de calor por el régimen turbulento que alcanza.

69

7 CONCLUSIONES

- El tanque de mezcla, diseñado para el tipo de proceso estudiado (fermentación

alcohólica), cuenta con una capacidad nominal de 50 litros/carga, al volumen total se

coloca un factor de seguridad de 1,15, obteniendo así un volumen total de 58

litros/carga, de esta manera se calculó que la altura adecuada del tanque sea

0,55metros con un diámetro de 0,366 metros.

- En el tanque de mezcla se colocó un agitador tipo Rushton, para conocer si el tipo de

agitador, así como, el número de revoluciones por minuto, eran adecuadas para

nuestro sistema, primero se realizó la simulación haciendo uso de VisiMix (Ver

Figura 13 y 14), de esta forma se comprueba la no formación de vórtices, lo cual,

soporta la idea de también colocando placas deflectoras en el diseño de AutoCAD

(Ver Anexo J).

- Como se produce un desdoblamiento de carbohidratos de alto peso molecular como

son los almidones, se optó por el uso de vapor (P= 1 bares y 100ºC) en vez de una

camisa de vapor, la razón principal es que el vapor causa un rompimiento drástico de

los carbohidratos; un efecto muy beneficioso para nuestro proceso. Las temperaturas

típicas de trabajo son 95-98 °C en la primera etapa de hidrólisis del almidón y en la

segunda etapa de sacarificación es de 55-60 °C.

- En el fermentador, se colocó un agitador Tipo Rushton que posee 6 paletas usando

relaciones geométricas, con una potencia de 𝑃 = 0,12 ℎ𝑝, adecuado para el tipo de

proceso (fermentación alcohólica), también una con capacidad nominal de 50

litros/carga, para lo que se usó una razón de aspecto para el tanque de H

DT= 1,5

teniendo en cuenta esta altura para contener únicamente el volumen del medio

líquido, además se tuvo en cuenta la altura para dar lugar al CO2 generado en la

fermentación, el aumento de volumen por biomasa, entre otros. Teniendo un volumen

70

total de la planta de 58 litros/carga, así se calculó la altura adecuada del tanque.

Además, cuenta con un sistema de cerrado del tanque que impide que entren agentes

no deseados.

- Una vez terminado el proceso de fermentación, el sistema de la planta productora de

vodka cuenta con un filtro (FL-26) (Ver anexo D), el cual evita que la parte sólida que

no fue convertida en el proceso de fermentación, ingrese a la unidad de destilación,

esto podría ocasionar problemas en la unidad de destilación, ya que el residuo sólido

se puede incrustar, con lo cual los coeficientes de intercambio de calor disminuirían,

aumentando el costo de operación del equipo.

- En la unidad de destilación diferencial por cargas, el ingreso del fermentado (agua +

etanol) se realiza accionando una bomba por la parte superior del equipo de

destilación, una vez colocado ahí el producto recircula a la unidad de vaporización

(calentador), hasta alcanzar una temperatura superior a 70 °C e inferior a 91 °C, para

de esta manera lograr que se evapore la mayor cantidad de etanol (T=90,67°C). El

producto de cola obtenido en la unidad de destilación (W), es agua residual que es

desechada debido a que contiene, entre otros compuestos, furfural C5H4O2.

- La parte baja de la unidad de destilación funciona como un contenedor, donde el

producto de cola es recirculado con la ayuda de una bomba, y se mantiene una taza de

recirculación de 50 l/h donde se puede calibrar el caudal mediante una válvula de

regulación.

- Este vapor producido en la unidad de destilación diferencial (etanol), se dirigió hacia

el condensador, con una T=90,67°C y una P= 0,72 bares (Presión de Quito), con la

ayuda de la línea de servicio (agua de enfriamiento con un flujo másico de 50 𝑘𝑔

ℎ y

con las condiciones de T= 15°C y P= 3 bares), se condensó los vapores, debido a que

estos transfieren su calor al agua y en el proceso se enfría el destilado y el agua de

71

servicio se calienta. El destilado sale a T=50 °C y P= 3 bares. Además, el área de

transferencia de calor es de 0,142 𝑚2. (Ver Anexo N).

- Tanto para el condensador como el vaporizador, se procedió a calcular el número de

Reynolds para conocer el tipo de régimen, el área de transferencia de calor y la altura

de ambos, diseñados de acuerdo a la cantidad de caudal o flujo másico que ingresa, y

el cálculo de sus respectivos diámetros tanto del lado de servicio como de producto.

Se escogió la norma alemana DIN para especificar las tuberías sanitarias en acero

inoxidable AISI 304/316, que usualmente se compran en Ecuador

- En el vaporizador (calentador), para poder separar los componentes, la mezcla líquida

se calienta mediante vapor a T= 130 °C y P= 5 bares. En la puesta en marcha, el

producto ingresa por la parte inferior del calentador a T= 15 °C y P=5 bares, mediante

la recirculación, se calienta hasta obtener una temperatura constante e inferior al

punto de ebullición del agua y superior al punto de ebullición del etanol T= 90,67 °C

la cual va variando conforme aumenta la concentración de agua en el producto de cola

y P= 0,75 bares. Además, el área de transferencia de calor es de 0,113𝑚2. (Ver Anexo

O).

- El calentador funciona como una etapa adicional de destilación en el efecto flash, para

que se produzca ese efecto se maneja dos condiciones: presión y temperatura; en este

caso la presión esta sobre los 5 bares y 130 °C y al pasar a la presión atmosférica se

produce el vaporizado (Ver Anexo C), la composición del destilado es de 53 % V/V y

esta es mayor que la especificada, pero sin embargo realizando este proceso continuo,

la desventaja es que se usaría mayor energía.

- La planta cuenta con un sistema de limpieza adecuado CIP, propio para alimentos, ya

que mediante el mismo se evita la contaminación de los tanques, con un caudal CIP

de 1725 𝐿

ℎ adecuado para la lavar completamente el tanque y también la eliminación

72

de residuos tanto de grasas y proteínas que se depositan en las paredes de los tanques

y tuberías. Finalmente para asegurar la asepsia de la planta se incluyó un sistema de

esterilización por vapor.

- El diseño global de la planta productora de vodka, se basa en los fundamentos de

ingeniería, las leyes termodinámicas y ecuaciones empíricas utilizadas en el diseño de

procesos; comprobándose ciertos resultados haciendo uso de paquetes informáticos

específicos, como el VisiMix y HYSYS.

73

8 RECOMENDACIONES

- Realizar el diseño del fermentador considerando principios de termodinámica de los

organismos vivos y cinética microbiana.

- Realizar un nuevo diseño del proceso, considerando añadir unidades de destilación de

platos o de rellenos.

- En caso de trabajar con otros tipos de destilados con diferente concentración se

recomienda colocar un sistema CIP, para la parte del condensador. Por otra parte,

también se podría incluir un módulo de recuperación de aroma cuando hace licores

frutales.

- Implementar y/o construir esta planta para uso en la Facultad de Ingeniería Química

para futuras investigaciones y obtener datos experimentales para verificar el

funcionamiento del diseño.

- Probar con diferentes concentraciones iniciales de etanol-agua, para de esta manera

verificar el diseño y contrastar con datos experimentales.

- Realizar la simulación de todos los equipos involucrados en el proceso, haciendo uso

de paquetes informáticos específicos, relacionados con la ingeniería de diseño de

procesos.

74

9 BIBLIOGRAFÍA

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76

ANEXOS

ANEXO A: Algoritmo para la corrección del diagrama de equilibrio etanol-agua a las

condiciones de (PQUITO) P=540mmHg.

INICIO

Calcular las temperaturas de

ebullición de etanol y agua con la ecuación

de Antoine

Suponer temperaturas

entre el rango de [Teb-etanol-Teb-

agua]

Calcular las presiones de etanol y agua con las

temperaturas supuestas con la ecuación de Antoine, Psat-etanol y Psat-agua.

x2=1-x1

Calcular los coeficientes de actividad para el etanol y

agua, γ1 γ2

Calcular concentraciones de etanol y agua en fase vapor con la ecuación de Raoult

modificada para casos reales.

1 = 10^[( 2)^2 (0,6848+2 1 (0,3781 0,6848))]

2 = 10^[( 1)^2 (0,3781+2 2 (0,6848 0,3781))]

1 = 1 1/ (540)

2 = 2 2/ (540)

= 1 FIN

Utilizar la herramienta de

Excel Solver.

NO

SI

77

ANEXO B: Datos de equilibrio líquido-vapor

T, ºC X1 Y1 T, °C X1 Y1 T, °C X1 Y1

91,00000 0,00 0,00000 84,18073 0,38 0,607819 78,67023 0,72 0,771536

90,67253 0,02 0,348646 84,97504 0,4 0,616322 78,5841 0,74 0,783752

90,20532 0,07 0,373089 83,87568 0,41 0,62057 77,54395 0,75 0,790032

89,15187 0,08 0,393823 83,77851 0,42 0,624821 77,50579 0,76 0,79643

89,53195 0,09 0,411667 83,68342 0,43 0,629081 77,46968 0,77 0,802952

89,98823 0,1 0,427226 83,59034 0,44 0,633352 76,43564 0,78 0,809602

88,50703 0,11 0,440951 83,49919 0,45 0,637641 76,40375 0,79 0,816386

88,07768 0,12 0,453184 82,4099 0,46 0,641949 75,37403 0,8 0,823307

88,69171 0,13 0,464193 82,32244 0,47 0,646281 75,34655 0,81 0,83037

88,34229 0,14 0,474187 82,23673 0,48 0,650641 74,32136 0,82 0,837582

88,02391 0,15 0,483333 82,15276 0,49 0,655031 74,29852 0,83 0,844946

87,73205 0,16 0,491765 82,07047 0,5 0,659456 73,27808 0,84 0,85247

87,463 0,17 0,499592 81,98984 0,51 0,663917 73,26011 0,85 0,860158

87,21366 0,18 0,506904 81,91085 0,52 0,668419 73,24467 0,86 0,868017

87,98148 0,19 0,513775 81,83347 0,53 0,672964 72,23183 0,87 0,876052

87,76428 0,2 0,520268 81,7577 0,54 0,677555 72,22165 0,88 0,884271

86,56023 0,21 0,526434 81,68352 0,55 0,682195 72,21421 0,89 0,89268

86,36778 0,22 0,532317 80,61092 0,56 0,686888 72,20958 0,9 0,901287

86,18562 0,23 0,537955 80,5399 0,57 0,691636 71,20793 0,91 0,910102

86,01261 0,24 0,54338 80,47045 0,58 0,696442 71,20913 0,92 0,919124

86,84777 0,25 0,54862 80,40259 0,59 0,701309 71,21338 0,93 0,928368

85,69027 0,26 0,5537 80,33632 0,6 0,706241 71,22078 0,94 0,93784

85,53937 0,27 0,55864 79,27164 0,61 0,711239 71,23139 0,95 0,94755

85,39444 0,28 0,563459 79,20856 0,62 0,716307 70,24533 0,96 0,957507

85,25494 0,29 0,568173 79,14711 0,63 0,721448 70,26267 0,97 0,967721

85,12039 0,3 0,572797 79,08729 0,64 0,726665 70,28352 0,98 0,9782

84,99035 0,31 0,577343 79,02912 0,65 0,731962 70,30798 0,99 0,988956

84,86447 0,32 0,581822 78,97262 0,66 0,737341 70,33614 1 1

84,74241 0,33 0,586245 78,91783 0,67 0,742805

78

ANEXO C: Simulación en HYSYS del Vaporizador (Calentador)

79

ANEXO D PLANO P&ID

80

ANEXO E Códigos de los elementos del diagrama P&ID

Tabla 24 Especificaciones (Ver Anexo J)

Código Descripción Código Descripción

AT-70 Tanque de ácido GV-45 Válvula de globo

BT-52 Tanque inferior GV-7 Válvula de globo

BV-14 Válvula de mariposa GV-74 Válvula de globo



BV-17 Válvula de mariposa LS-5 Interruptor de nivel



BV-24 Válvula de mariposa LYT-71 Tanque de Base

BV-25 Válvula de mariposa MT-3 Tanque de mezcla

FL-26 Filtro NV-33 Válvula de retención

BV-27 Válvula de mariposa NV-34 Válvula de retención

BV-28 Válvula de mariposa NV-35 Válvula de retención

BV-29 Válvula de mariposa PI-11 Indicador de presión



BV-40 Válvula de mariposa QT-4 Transmisor de pH

BV-42 Válvula de mariposa QT-72 Transmisor de pH

BV-43 Válvula de mariposa RB-49 Calentador

BV-53 Válvula de mariposa RV-10 Válvula reguladora



BV-75 Válvula de mariposa SAV-12 Válvula de seguridad

BV-76 Válvula de mariposa ST-47 Trampa de vapor

CHE-51 Intercambiador de calor condensador SV-18 Válvula solenoide

CP-30 Bomba centrífuga SV-19 Válvula solenoide



DK-48 Kit de Destilación SV-21 Válvula solenoide

DM-59 Motor Conductor SV-44 Válvula solenoide

DM-60 Motor Conductor SV-57 Válvula solenoide

DP-68 Motor Conductor SV-58 Válvula solenoide

DP-69 Bomba de diafragma TI-64 Indicador de temperatura

DT-50 Tanque de destilado TI-65 Indicador de temperatura

DV-37 Válvula de desvío TI-66 Indicador de temperatura

DV-56 Válvula de desvío TT-61 Transmisor de temperatura

FI-1 Indicador de flujo TT-62 Transmisor de temperatura

FL-46 Filtro de servicio TT-63 Transmisor de temperatura

FT-36 Tanque de Fermentación TT-77 Transmisor de temperatura

81

Descripción del Proceso

Tanque de mezcla.

El producto (almidón) entra al tanque de mezcla MT-3. A este tanque también ingresa

agua para mezclar con el producto y vapor para calentamiento. El agua de mezclado entra al

tanque mediante la válvula solenoide SV-2 donde se tiene un medidor de flujo. El vapor para

calentamiento, después de a travesar las válvulas de control GV-8, GV-9, la válvula de

solenoide CV-10, el medidor de flujo PI-11 y la válvula de mariposa BV-15 entra al tanque

de mezclado. En este tanque el almidón y agua se gelatinizan mediante aplicación de vapor.

Mediante la bomba centrífuga CP-30, la mezcla es extraída del tanque de mezcla y

direccionada hacia el fermentador, en el transcurso pasa por las válvulas de mariposa B-17,

válvula de retención NV-33 y la válvula de desvió DV-56.

Tanque de fermentación

Al tanque de fermentación (FT-36) ingresan: el producto, agua de enfriamiento por la

válvula GV-74. Este tanque de fermentación cuenta con un motor para el agitador DM-60, un

agitador FT-36, una válvula solenoide SV-57, un transmisor de pH QT-72, dos medidores de

temperatura TT-62 y un interruptor de nivel LS-5. Para la fermentación se enfría el sustrato a

28–32°C y se bombea al fermentador. Tras la añadidura de levadura, la fermentación requiere

un tiempo de 68–72 h. Durante este proceso se produce CO2. El cierre de fermentación deja

escapar el CO2 mediante la válvula SV-57 que se produce y protege el proceso de

fermentación contra gérmenes no deseados.

Unidad de Destilación diferencial por cargas

Una vez terminada la fermentación pasa a través del filtro FL-26, para que ingrese a la

unidad el agua y el etanol, mediante la válvula BV-27 el fluido es succionado por la bomba

centrifuga CP-31 e impulsado hacia la válvula de retención NV-34, válvula de desvió DV-37

y BV-39 válvula de mariposa antes de ingresar a la unidad de destilación DK-48.

82

La unidad de destilación DK-48 cuenta con dos sensores de temperaturas TI-66 y TI-64;

un interruptor de nivel LS-78 y una válvula solenoide SV-58. Además, la unidad de

destilación, cuenta con una salida del producto por el fondo, el cual a traviesa la válvula de

solenoide BV-29 antes de arribar al evaporador RB-49. Este intercambiador de calor cuenta

con 4 tubos internos, un sensor de temperatura TT-77 y una válvula reguladora RV-41. En la

parte superior la unidad de destilación tenemos una salida de destilado hacia el condensador

CHE-51. Este condensador cuenta con un sensor de temperatura TI-65, una entrada de agua

de enfriamiento por la válvula BV-75, una salida de agua caliente y una descarga de producto

hacia el tanque DT-50 el cual tiene una válvula de mariposa BV-42. En la destilación se

aprovechan las distintas volatilidades de los componentes a separar. Para poder separar los

componentes, la mezcla líquida es calentada (en el evaporador RB-49) hasta que esté en

ebullición. La fase de vapor que se produce consta principalmente de componentes

ligeramente volátiles. La fase de vapor es separada de la fase líquida y luego se condensa (el

destilado) en el intercambiador de calor CHE-51.

Sistema de Limpieza (CIP)

La planta productora de vodka cuenta con una unidad de limpieza, la cual está compuesta

por un tanque de ácido AT-70 y un tanque de base LYT-71. Los fluidos son extraídos por las

bombas centrifuga DP-68 y DP-69 y direccionado hacia la bomba de mariposa BV-53 para

posteriormente llegar al tanque de mezcla MT-3.

83

ANEXO F DIAGRAMA DE BLOQUES

84

ANEXO G LAVADORA DE PAPAS

85

ANEXO H PELADORA DE PAPAS

86

ANEXO I LICUADORA

87

ANEXO J TANQUE DE MEZCLA

88

ANEXO K TANQUE DE FERMENTACIÓN

89

ANEXO L CIERRE DE FERMENTACIÓN

90

ANEXO M UNIDAD DE DESTILACIÓN DIFERENCIAL

91

ANEXO N CONDENSADOR

92

ANEXO O VAPORIZADOR (CALENTADOR)

universidad central del ecuador …€¦ · 4.3 diseño de la unidad de destilación diferencial...

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