Facultad de Ingeniería Química e Industrias Alimentarías

Escuela Profesional de Ingeniería Química

“PROYECTO DE TESIS”

Bach. Mestanza Vera, Niky Alan.Bach. Pineda Pizarro, Lister Marcos.

Asesor : Ing. Hernández Oré, José Enrique.

UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO

“Simulación y Análisis del Sistema de Destilación de

la Destilería CHICLAYO S.A.C empleando el

Simulador de Procesos HYSYS”

CAPITULO I

ANÁLISIS PRELIMINAR

1. SITUACIÓN PROBLEMÁTICA

1.1 Planteamiento del Problema

El problema principal que afecta a la destilería CHICLAYO S.A.C es su deficiente sistema de destilación.

Actualmente es muy importante en la ingeniería de procesos desarrollar una optimización de los mismos.

La aparición de simuladores de procesos facilita el análisis de las operaciones presentes en un proceso.

1.2 Formulación del Problema

¿ Es posible analizar mediante una simulación en HYSYS la performance del sistema de destilación de la destilería CHICLAYO S.A.C ?

1.3 Justificación e Importancia

Realizar una comparación de los datos reales del proceso con los resultados de la simulación para un posterior análisis del mismo, lo cual puede permitir predecir las variaciones en el sistema frente a cambios operacionales.

1.4 Objetivos Objetivo General

Analizar la performance del sistema de la destilería CHICLAYO S.A.C utilizando el simulador de procesos HYSYS.

Objetivos EspecíficosContrastar los resultados obtenidos en la simulación con los datos reales obtenidos en la destilería.

Determinar el modelo termodinámico mas apropiado para la mezcla no ideal etanol-agua.

Analizar los efectos producidos en las composiciones del destilado y colas ante cambios en las condiciones de operación del sistema de destilación.

Determinar las composiciones volumétricas del destilado en cada plato de las columnas de destilación.

1.5 Hipótesis El análisis de la performance del

sistema de destilación de la destilería CHICLAYO S.A.C se puede llevar a cabo utilizando el simulador de procesos HYSYS.

CAPITULO II

MARCO TEORICO

1.DISEÑO DE PROCESO La actividad del diseño implica definir la configuración y estructura de un diagrama de procesos químicos, en base a determinados conocimientos y restricciones.

2.SIMULACIÓN DE PROCESOS La simulación de procesos es

definida como una técnica para evaluar en forma rápida un proceso con base a una representación del mismo, mediante modelos matemáticos.

Las etapas de la simulación son:

Los modelos matemáticos de los equipos de un proceso, en conjunto dan forma al modelo matemático del proceso completo. Este debe ser resuelto por medio de un algoritmo de solución para producir los resultados requeridos.

 

Los principales algoritmos disponibles para la solución de sistemas de ecuaciones en simuladores de procesos son los siguientes:

Método Modular Secuencial.

Método Orientado a Ecuaciones.

Método Modular Simultáneo.

Entre las aplicaciones más importantes de la simulación tenemos:

Predicción de los efectos de cambio en las condiciones de operación y capacidad de la planta.

Detección de cuellos de botella en la producción.

Evaluación de alternativas de proceso para reducir el consumo de energía.

Investigación de la factibilidad para la automatización de un proceso.

3.SIMULADORES DE PROCESOSExiste una gran variedad de simuladores de procesos comerciales, los cuales son poderosas herramientas de cálculo en procesos industriales, ya que cuentan con propiedades termodinámicas y de transporte, que son fundamentales para efectuar los balances de materia y energía.

Los tipos de simuladores de procesos son:

Simuladores en Estado Estacionario. Simuladores en Estado Dinámico.

Entre los simuladores comerciales mas conocidos tenemos:

Los empleados en este proyecto son: HYSYS, CHEMCAD, Aspen Plus.

4. SIMULADOR HYSYSHYSYS es un programa interactivo enfocado a la ingeniería de procesos y la simulación, que se puede utilizar para solucionar toda clase de problemas relacionados con procesos químicos.

Este simulador cuenta con una interfaz muy amigable para el usuario, además de permitir el empleo de operadores lógicos y herramientas que facilitan la simulación de diversos procesos.

5. TERMODINÁMICAEl diseño y la simulación de procesos químicos necesitan de datos de propiedades físicas, termodinámicas y de transporte y estos se calculan a partir de modelos de propiedades con base teórica o empírica.

La elección del conjunto correcto de ecuaciones que puedan representar las propiedades físicas y termodinámicas y el equilibrio de las fases se denota como una etapa crítica para el éxito o fracaso del proyecto de simulación.

Las propiedades termodinámicas de los fluidos son empleadas esencialmente para el diseño de equipos de proceso, particularmente con respecto a requerimientos energéticos, equilibrio de fases y determinación del tamaño de los mismos.

Para esto se han desarrollado

ecuaciones para el cálculo de los balances de energía (entalpía, entropía, etc.) y para la determinación de volúmenes.

5. PROCESO DE DESTILACIÓN

En los siguientes cuadros se presentan las condiciones de operación, especificaciones de columnas y condensadores.

Cuadro 1: Condiciones de Operación de las Columnas del Sistema

Cuadro 2: Especificaciones de las Columnas del Sistema

Cuadro 3 : Especificaciones de Condensadores en Columnas

CAPITULO III

MARCO METODOLÓGICO

La información necesaria fue recopilada de la destilería CHICLAYO S.A.C durante los meses de Junio y Julio del 2007 en el turno de la mañana.

ETAPAS DE LA SIMULACIÓN

CAPITULO IV

RESULTADOS

Se realizaron 10 simulaciones con cada paquete termodinámico para determinar la uniformidad de los resultados proporcionados por HYSYS.

Tabla 1: Resultados Modelo NRTL-PR

Tabla 2: Resultados Modelo UNIQUAC-PR

Tabla 3: Resultados Modelo Van Laar-PR

Luego de determinar el consumo total de agua en condensadores y el consumo de agua para la producción de vapor se obtuvo como resultado un consumo total de:

Cuadro 4: Consumo de Agua en el Sistema

Si tomamos en cuenta que la capacidad de la bomba en la destilería es de aproximadamente 8 L/seg. entonces el resultado de la simulación se encuentra dentro de un valor aceptable.

CAPITULO V

ANÁLISIS DE LA SIMULACIÓN

1. ANÁLISIS DE PERFILES DE TEMPERATURA EN COLUMNAS

Gráfica 1: Temperaturas en Platos de la Columna Mostera

Cuadro 6: Residuo Cuadrático Acumulado de Temperatura

Cuadro 5: Temperaturas en Platos de la Columna Mostera

Gráfica 2: Temperaturas en Platos de la Columna

Rectificadora

Cuadro 8: Residuo Cuadrático Acumulado de Rectificadora

Cuadro 7: Temperaturas en Platos de la Columna Rectificadora

2. ANÁLISIS DE FLUJOS VOLUMÉTRICOS DE ALCOHOL

Gráfica 3: Flujo Volumétrico de Alcohol Industrial

Gráfica 4: Flujo Volumétrico de Alcohol Rectificado

3. ANÁLISIS DE LA EFICIENCIA GLOBAL DEL SISTEMA

Gráfica 5: Eficiencias Globales del Sistema de Destilación

4. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD

Gráfica 5: Análisis de Sensibilidad 1

Gráfica 6: Análisis de Sensibilidad 2

Gráfica 7: Análisis de Sensibilidad 3

Gráfica 8: Análisis de Sensibilidad 4

Gráfica 9: Análisis de Sensibilidad 5

Gráfica 10: Análisis de Sensibilidad 6

5. PROPUESTA DE MEJORA DEL SISTEMA DE DESTILACIÓN DE LA DESTILERIA CHICLAYO S.A.C

Gráfica 11: Simulación del Sistema Propuesto

Cuadro 10: Comparación de Efluentes

Cuadro 9: Comparación de Producción de Alcohol

Se observa un aumento de 29 L en la producción de alcohol rectificado con una calidad de 96.3 °GL.

El vapor necesario para este objetivo supera en 848 Kg/h al vapor empleado en el proceso real.

La relación vinaza/alcohol rectificado en el proceso real es de 14.1 mientras que en el proceso propuesto es de 10.58.

Cuadro 11: Comparación de Requerimientos de Vapor

CAPITULO VI

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

1. CONCLUSIONES

Los resultados que proporciona HYSYS al simular el sistema de destilación de la destilería CHICLAYO S.A.C resultan satisfactorios puesto que estos difieren del proceso real por un escaso margen; a pesar de las deficiencias y limitaciones del mismo (insuficientes puntos de muestreo de temperatura, así como una incorrecta determinación del grado alcohólico en efluentes), concluyendo de esta manera que es posible la evaluación de la performance del sistema utilizando el simulador de procesos HYSYS.

Entre los modelos termodinámicos seleccionados para la simulación del sistema se determina que el modelo NRTL-PR representa de forma más apropiada el comportamiento de la mezcla, presentando desviaciones más pequeñas en comparación a los otros modelos.

El modelo termodinámico Wilson-PR, no logró alcanzar la convergencia en la columna rectificadora por lo que se deduce que no es apropiado para la simulación del sistema en estudio.

Mediante el análisis de sensibilidad realizado se logra establecer que una menor humedad del vapor, mejorando la eficiencia del caldero, permite obtener un aumento considerable en la producción de alcohol rectificado sin realizar ninguna variación en el sistema de destilación.

2. RECOMENDACIONES

Implementar un sistema de control automático en las columnas de destilación para lograr un trabajo mucho más efectivo de las mismas, con la finalidad de mantener estables los parámetros operacionales del sistema y así evitar pérdidas en la producción.

Realizar un estudio mas profundo del sistema llevando acabo un análisis por cromatografía de gases de las muestras (mosto, alcohol industrial y alcohol rectificado), para determinar con exactitud el contenido de otros componentes y el efecto de estos en el mismo.

El impacto ambiental es de suma importancia en la actualidad, por lo cual la instalación de un reboiler en la parte inferior de la columna mostera permitiría disminuir el volumen de vinaza que se genera en la destilería.

Instalar un intercambiador de calor adicional para recuperar el calor de la vinaza para incrementar la temperatura del mosto que ingresa a la columna mostera.

Enfatizar la importancia que tiene hoy en día la utilización de software o simuladores en el campo de la ingeniería y fomentar la realización de estudios empleando a la simulación como herramienta para analizar el comportamiento de diferentes procesos.

En nuestra región, la industria alcoholera ha tenido un lento crecimiento, a pesar de la alta demanda de alcohol a nivel internacional y de los nuevos tratados comerciales internacionales. Por eso se hace necesario que empresarios inviertan y apuesten por nuevas e innovadoras tecnologías para estar a la vanguardia con otros países.

GRACIAS