8
 1 Energy and Mass Balance Model 1. Corn to Ethanol  Production Process Overview Based on the literature review and various web resources 1, 2 , we have prepared a system diagram of  the typical drymill ethanol  production process (as shown in Figure 1). The basic steps include milling,  mashing,  cooking,  liquefaction,  saccharification,  fermentation,  distillation/dehydration,  solids separation,  evaporation,  and drying.  If  the ethanol  plant is taken as a single system, the overall  inputs and outputs at the system boundary  is shown in Figure 2. The inputs are corn and water plus energy, while the outputs are ethanol,  solids (byproducts),  wastewater,  and CO 2 . In this chapter, detailed analysis of  energy and mass balance calculation for each step in the process is presented.  Figure 1. System diagram of typical drymill corntoethanol production process

Energy and Mass Balance Model Description

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Energy and Mass Balance Model Description

8/7/2019 Energy and Mass Balance Model Description

http://slidepdf.com/reader/full/energy-and-mass-balance-model-description 1/8

Page 2: Energy and Mass Balance Model Description

8/7/2019 Energy and Mass Balance Model Description

http://slidepdf.com/reader/full/energy-and-mass-balance-model-description 2/8

  2

 

Figure 2. Inputs and Outputs at the System Boundary

2. Mass Balance Model 

To resolve the material balance for the corn‐to‐ethanol plant, the unit operations of  

the block flow diagram (BFD) must be defined3. Figure 3 shows the BFD of  a typical 

ethanol plant with all the basic steps included. 

Figure 3. Mass Block Flow Diagram of Ethanol Production Process 

Page 3: Energy and Mass Balance Model Description

8/7/2019 Energy and Mass Balance Model Description

http://slidepdf.com/reader/full/energy-and-mass-balance-model-description 3/8

  3

For each of  the block, the material balance is written as: 

Material in = Material out  (2‐1) 

or  oi M M  =   (i  = input; o = output)  (2‐2) 

or  ∑∑==

=n

k o

m

j

ji M M 1

,

1

,   (2‐3) 

where j  represents the type of  material inputs with a total of  m inputs, and k  represents 

the type of  material outputs with a total of  n outputs. 

The mass balance calculation starts with corn inputs. Table 1 lists the composition of  

corn3. 

Table 1. Corn CompositionComponent  Mass Content % Water  15.0% 

Starch  59.5% 

Protein  7.7% 

Oil  3.4% 

Other  14.5% 

Total  100% 

The starch (the actual material that makes ethanol) is then mixed with water and 

turns into glucose followed by fermentation and production of  ethanol. The reaction 

stoichiometry on a weight basis can be written as: 

Starch + 0.1111 Water  1.1111 Glucose  (2‐4) 

Glucose  0.4589 Ethanol + 0.4641 CO2 + 0.05 other  (2‐5) 

Apparently, the yield of  ethanol is a function of  starch composition in corn, 

conversion efficiency of  starch to glucose, and conversion efficiency of  glucose to 

ethanol. Assuming a 100% efficiency for both conversion processes, the typical yield is 

2.5 to 2.85 gallons ethanol per bushel corn3. In our model, we take the average value, 

2.7 gal ethanol per bushel corn, as our corn‐to‐ethanol conversion rate. The CO2 

emission profile can also be calculated from equations 2‐4 and 2‐5 with a given mass of  

corn (or starch). 

Based on the equations 2‐1 to 2‐5 and the process data and assumptions derived 

from Mei et al.3, we have established an Excel‐based mass balance model for the corn‐

to‐ethanol production process. Figure 4 shows an example worksheet of  the mass 

Page 4: Energy and Mass Balance Model Description

8/7/2019 Energy and Mass Balance Model Description

http://slidepdf.com/reader/full/energy-and-mass-balance-model-description 4/8

  4

balance model. It demonstrates that with 1 kg input of  corn, 2.68 kg water is needed, 

and 0.32 kg ethanol and 0.33 kg DDGS can be produced with 0.31 kg CO2 emission and 

2.72 kg wastewater discharge. It should be noted that this model assumes that no water 

recycling technology is applied. 

Figure 4. Excel worksheet for the mass balance model

Page 5: Energy and Mass Balance Model Description

8/7/2019 Energy and Mass Balance Model Description

http://slidepdf.com/reader/full/energy-and-mass-balance-model-description 5/8

  5

3. Energy Balance Model 

The energy needs for ethanol production is of  great concern, and the availability of  

economical and reliable energy sources is essential for stable operation of  the facility. 

We have performed a literature review on the total energy consumption of  the corn‐to‐

ethanol process, as listed in Table 2. The reported energy consumption varies 

significantly from 40,850 to 75,118 Btu/gal, with an average of  53,750 Btu/gal. 

Pimentel’s estimates is over 30,000 Btu/gal higher than Wang et al.’s estimate, and over 

20,000 Btu/gal higher than the average value of  the all the studies. This is because of  

Pimentel’s inclusion of  energy expended on capital equipment and energy for steel, 

cement, and other materials used to construct the ethanol plant, components not 

included in most of  other studies. In this study, we used the average value from 

literature, 53,750 Btu/gal, as the basis of  our energy balance calculation. 

Table 2. Total Energy Consumption for Corn‐to‐Ethanol Process

Literature  Ethanol Conversion Process (Btu/gal) Pimentel and Patzek (2005)  54684 

Pimentel (2001)  75118 

Lorenz and Morris (1995)  53956 

Wang et al. (1999)  40850 

Shapouri et al. (2002)  51779 

Mei et al. (2006)  46114 

Average Total Energy Demand  53750 (Btu/gal) or 15.0 MJ/L Generally, energy demand for an ethanol plant consists of  thermal energy and 

electricity. 

Thermal 

energy 

as 

steam 

is 

used 

for 

cooking, 

liquefaction, 

ethanol 

recovery 

and dehydration. Natural gas thermal energy is used for dying and stillage processing. 

Electricity is used for grinding and running electric motors. Figure 5 shows the diagram 

of  energy flow through the corn‐to‐ethanol plant. 

Figure 5. Energy block flow diagram of ethanol production process

(Et – thermal energy, Ee – electricity energy)

Page 6: Energy and Mass Balance Model Description

8/7/2019 Energy and Mass Balance Model Description

http://slidepdf.com/reader/full/energy-and-mass-balance-model-description 6/8

  6

A general energy balance equation for each individual block can be written as3: 

Energy Input = Energy Output  (2‐6) 

Or  ∑∑ =++

streamsoutput 

j

streamsinput 

j E W QE    (2‐7) 

where E j  represents the total rate of  energy transported by the j th input or output 

stream of  a process, and Q and W  are defined as the rate of  flow of  heat and work into 

the process. 

The energy balance calculation procedure is adapted from Mei et al3, and the 

results are summarized in Table 3. For a ethanol conversion process, the majority of  the 

energy is used as thermal energy for cooking, liquefaction, distillation, and drying. 

Electricity is mainly used for milling, distillation and drying processes. 

Table 3. Energy Flow in Corn‐to‐Ethanol Process

Energy Flow  Thermal Energy (MJ/L)  Electricity Energy (MJ/L) A ‐Milling  0.21  0.10 

C‐ Cooking/Liquefaction  2.81  0.06 

D ‐ Fermentation ‐ 0.06 

F ‐ Distillation  4.76  0.37 

J ‐ Drying  6.22  0.41 

Total  14.0  1.0 

4. Flash Based Interactive Model 

In this study, we have developed an interactive model integrating mass and energy 

balance at the ethanol plant system boundary. Flash is a popular multimedia software 

that can create animation and add interactivity to web pages. As shown in Figure 6, the 

users of  this Flash based model have two options to start the mass and energy balance 

calculation by inputting either corn feed or ethanol plant capacity. For example, as 

shown in Figure 6a, if  the user chooses “Corn Feed” as the input method, a input text 

box will show up and allow the user to type in the amount of  corn that will be fed to the 

plant. Then by clicking the “Run” button, the model will calculate and display the 

amount of  water and energy needed for the process, and the amount of  ethanol and 

DDGS will be produced, as well as the amount of  wastewater and CO2 will be generated 

and emitted, if  no controls are installed. Similarly, as shown in Figure 6b, if  the user 

chooses “Plant Capacity” as the input method, after typing in the amount of  ethanol 

that a plant is expected to produce, the model will calculate and display the amount of  

corn, water, and energy that are needed, as well as the amount of  co‐products and 

emissions. The user friendly interface and the interactive feature make this model a 

Page 7: Energy and Mass Balance Model Description

8/7/2019 Energy and Mass Balance Model Description

http://slidepdf.com/reader/full/energy-and-mass-balance-model-description 7/8

  7

handy tool for researchers, plant managers, policy makers, and the public to understand 

the overall energy and environmental impact of  ethanol production process. 

Figure 6. Flash‐Based Interactive Model on Energy and Mass Balance – Calculation

Based on (a) Corn Feed and (b) Ethanol Plant Capacity  

(a)

(b)

Page 8: Energy and Mass Balance Model Description

8/7/2019 Energy and Mass Balance Model Description

http://slidepdf.com/reader/full/energy-and-mass-balance-model-description 8/8

  8

References 

1. ICM, Inc. http://www.icminc.com/ethanol/production_process  

2. National Corn-to-Ethanol Research Center. http://www.siue.edu/ETHANOL 

3. Mei, F.; Dudukovic, M.; Evans, M.; Carpenter, N. Mass and Energy Balance for a

Corn-To-Ethanol Plant. Washington University in St. Louis, 2005.