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Azeotros y su importancia en Química, Apuntes de Ingeniería Química

Es una investigación sobre los Azeotropos y su uso

Tipo: Apuntes

2019/2020

Subido el 21/10/2020

maria-rosario-atencio
maria-rosario-atencio 🇻🇪

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DESHIDRATACIÓN DE ETANOL MEDIANTE DESTILACIÓN
AZEOTRÓPICA CON HIDROCARBUROS COMPONENTES
DE LA GASOLINA. ESTUDIO DE LA VIABILIDAD DEL
PROCESO A ESCALA SEMI-PLANTA PILOTO
Ricardo Miguel Pedraza Berenguer
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¡Descarga Azeotros y su importancia en Química y más Apuntes en PDF de Ingeniería Química solo en Docsity!

DESHIDRATACIÓN DE ETANOL MEDIANTE DESTILACIÓN

AZEOTRÓPICA CON HIDROCARBUROS COMPONENTES

DE LA GASOLINA. ESTUDIO DE LA VIABILIDAD DEL

PROCESO A ESCALA SEMI-PLANTA PILOTO

Ricardo Miguel Pedraza Berenguer

D ESHIDRATACIÓN DE ETANOL MEDIANTE DESTILACIÓN

AZEOTRÓPICA CON HIDROCARBUROS COMPONENTES DE LA

GASOLINA. E STUDIO DE LA VIABILIDAD DEL PROCESO A

ESCALA SEMI - PLANTA PILOTO

Memoria presentada por

Ricardo M. Pedraza Berenguer

Para optar al grado de doctor en Ingeniería Química

Instituto Universitario de Ingeniería de Procesos Químicos

Institut Universitari d’Enginyeria de Processos Químics

D. Vicente Gomis Yagües, Catedrático del Departamento de Ingeniería

Química de la Universidad de Alicante y

Dña. Mª Dolores Saquete Ferrándiz, Profesora Titular del Departamento de

Ingeniería Química de la Universidad de Alicante.

CERTIFICAMOS :

Que el ingeniero D. Ricardo M. Pedraza Berenguer ha realizado bajo nuestra

dirección, en el Instituto Universitario de Procesos Químicos de la Universidad de

Alicante, el trabajo que con el título “Deshidratación de etanol mediante destilación

azeotrópica con hidrocarburos componentes de la gasolina. Estudio de la viabilidad del

proceso a escala semi-planta piloto” constituye su memoria para aspirar al grado de

Doctor en Ingeniería Química.

Y para que conste a los efector oportunos firmamos el presente Certificado en

Alicante, a dieciséis de octubre de 2012.

Fdo. Vicente Gomis Yagües Mª Dolores Saquete Ferrándiz

Tabla de contenido

Tabla 5–6. Punto de pliegue obtenido con los parámetros NRTL del ajuste de datos de equilibrio para el sistema agua - etanol - hexano a una temperatura de 57 ºC. ............... 127

Tabla 5–7. Parámetros para el ajuste de datos de equilibrio LL mediante NRTL para el sistema agua - etanol - ciclohexano a una temperatura de 64 ºC. ................................................ 128

Tabla 5–8. Punto de pliegue obtenido con los parámetros NRTL del ajuste de datos de equilibrio para el sistema agua - etanol - ciclohexano. .................................................... 128

Tabla 5–9. Parámetros para el ajuste de datos de equilibrio LL mediante NRTL para el sistema agua - etanol - isoctano a una temperatura de 71 ºC. ..................................................... 129

Tabla 5–10. Punto de pliegue obtenido con los parámetros NRTL del ajuste de datos de equilibrio para el sistema agua - etanol - isoctano a una temperatura de 71 ºC. ............. 129

Tabla 5–11. Parámetros para el ajuste de datos de equilibrio LL mediante NRTL para el sistema agua - etanol - tolueno a una temperatura de 76 ºC. .......................................... 130

Tabla 5–12. Punto de pliegue obtenido con los parámetros NRTL del ajuste de datos de equilibrio para el sistema agua - etanol - tolueno a una temperatura de 76 ºC. .............. 130

Tabla 5–13. Puntos de pliegue experimental y calculado con los parámetros NRTL, para el sistema agua - etanol - hexano a una temperatura de 57 ºC. .......................................... 131

Tabla 5–14. Puntos de pliegue experimental y calculado con los parámetros NRTL, para el sistema agua - etanol - ciclohexano a una temperatura de 64 ºC. ................................... 131

Tabla 5–15. Puntos de pliegue experimental y calculado con los parámetros NRTL, para el sistema agua - etanol - isoctano a una temperatura de 71 ºC.......................................... 131

Tabla 5–16. Puntos de pliegue experimental y calculado con los parámetros NRTL, para el sistema agua - etanol - tolueno a una temperatura de 76 ºC: .......................................... 131

Tabla 5–17. Puntos de pliegue experimental del sistema agua - etanol - hexano a una temperatura de 57 ºC. ..................................................................................................... 134

Tabla 5–18. Parámetros de la modificación NRTL del sistema agua - etanol - hexano. ......... 134

Tabla 5–19. Punto de pliegue experimental del sistema agua - etanol - ciclohexano a una temperatura de 64 ºC. ..................................................................................................... 135

Tabla 5–20. Parámetros de la modificación NRTL del sistema agua - etanol - ciclohexano.. 135

Tabla 5–21. Punto de pliegue experimental del sistema agua - etanol - isoctano a una temperatura de 71 ºC. ..................................................................................................... 136

Tabla 5–22. Parámetros de la modificación NRTL del sistema agua - etanol -isoctano. ....... 136

Tabla 5–23. Punto de pliegue experimental del sistema agua - etanol - tolueno a una temperatura de 76 ºC. ..................................................................................................... 137

Tabla 5–24. Parámetros de la modificación NRTL del sistema agua - etanol - tolueno. ........ 137

Tabla 5–25. Punto de pliegue experimental y calculado mediante interpolaciones del sistema agua - etanol - hexano a una temperatura de 57 ºC. ....................................................... 141

Tabla 5–26. Punto de pliegue experimental y calculado mediante interpolaciones del sistema agua - etanol - ciclohexano a una temperatura de 64 ºC. ................................................ 142

Tabla 5–27. Punto de pliegue experimental y calculado mediante interpolaciones del sistema agua - etanol - isoctano a una temperatura de 71 ºC. ..................................................... 143

Tabla 5–28. Punto de pliegue experimental y calculado mediante interpolaciones del sistema agua - etanol - tolueno a una temperatura de 76 ºC. ...................................................... 144

Tabla 6-1. Necesidades energéticas para la producción de etanol anhidro para los sistemas simulados con un solo hidrocarburo. ............................................................................... 166

Tabla 6-2. Composición de las corrientes de alimentación y producto. .................................. 168

Tabla 6-3. Composición de las corrientes de recirculación. ..................................................... 169

Tabla 6-4. Comparación de las necesidades energéticas de los equipos utilizados en las simulaciones. ................................................................................................................... 170

Tabla 6-5. Comparación de los costes energéticos necesarios en la producción de etanol anhidro. ........................................................................................................................................ 170

Índice de figuras

  • 0 RESUMEN
  • 1 INTRODUCCIÓN
    • 1.1 L OS BIOCOMBUSTIBLES
    • 1.2 E L BIOETANOL
      • 1.2.1 Producción de bioetanol
      • 1.2.2 Críticas al uso del bioetanol
    • 1.3 D ESHIDRATACIÓN DE ETANOL
      • 1.3.1 Adsorción sobre tamices moleculares
      • 1.3.2 Destilación azeotrópica
  • 2 OBJETIVOS
  • 3 ESTUDIO DE LA DESHIDRATACIÓN DE ETANOL
    • 3.1 D ESCRIPCIÓN DEL EQUIPO EXPERIMENTAL
    • 3.2 S ISTEMAS ESTUDIADOS Y PRODUCTOS UTILIZADOS
      • 3.2.1 Sistemas estudiados.......................................................................................................
      • 3.2.2 Productos utilizados
    • 3.3 V ARIABLES DE OPERACIÓN
    • 3.4 P UESTA EN MARCHA DEL EQUIPO HASTA ALCANZAR EL RÉGIMEN ESTACIONARIO
    • 3.5 A NÁLISIS Y TOMA DE MUESTRAS
    • 3.6 R ECUPERACIÓN DE DISOLVENTES
      • 3.6.1 Recuperación del producto de cola
      • 3.6.2 Recuperación de la fase acuosa
  • 4 DATOS EXPERIMENTALES
    • 4.1 R ESULTADOS EXPERIMENTALES OBTENIDOS
      • 4.1.1 Agua 6% - Etanol – Hexano
      • 4.1.2 Agua 11% - Etanol – Hexano
      • 4.1.3 Agua 7% - Etanol - Ciclohexano
      • 4.1.4 Agua 6% - Etanol – Isoctano
      • 4.1.5 Agua 9% - Etanol – Tolueno
      • 4.1.6 Agua 6% - Etanol - Hexano - Isoctano
      • 4.1.7 Agua 10% - Etanol - Ciclohexano – Isoctano
      • 4.1.8 Agua 7% - Etanol - Hexano - Ciclohexano – Isoctano
      • 4.1.9 Agua 6% - Etanol - Hexano - Ciclohexano - Isoctano – Tolueno
      • 4.1.10 Agua 6% - Etanol - Gasolina comercial
    • 4.2 D ISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS EXPERIMENTALES
      • 4.2.1 Variación de los caudales de destilado y producto de cola
      • 4.2.2 Variación de la fracción másica de agua en el producto de cola
      • 4.2.3 Variación de la fracción másica de agua y etanol en el destilado.....................................
      • 4.2.4 Variación de la fracción másica de etanol en el producto de cola
      • 4.2.5 Influencia del contenido en agua en el etanol alimentado
      • 4.2.6 Sistemas con ciclohexano
      • 4.2.7 Sistemas con mezcla de hidrocarburos
  • 5 CORRELACIÓN DE DATOS DE EQUILIBRIO ...................................................
    • 5.1 E CUACIONES EMPÍRICAS DE CORRELACIÓN DE LA CURVA BINODAL
      • 5.1.1 Ajustes empíricos en el sistema agua -etanol – hexano
      • 5.1.2 Ajustes empíricos en el sistema agua - etanol -ciclohexano.............................................
      • 5.1.3 Ajustes empíricos en el sistema agua - etanol - isoctano.................................................
      • 5.1.4 Ajustes empíricos en el sistema agua - etanol - tolueno..................................................
  • C ÁLCULO MEDIANTE LA ENTALPÍA DE EXCESO 5.2 M ODELOS TERMODINÁMICOS : M ODELOS DE COEFICIENTES DE ACTIVIDAD - 5.2.1 La ecuación NRTL y correlación de datos experimentales - 5.2.2 Determinación del punto de pliegue - 5.2.3 Ajuste del sistema agua - etanol - hexano mediante la ecuación NRTL......................... - 5.2.4 Ajuste del sistema agua - etanol - ciclohexano mediante la ecuación NRTL - 5.2.5 Ajuste del sistema agua - etanol - isoctano mediante la ecuación NRTL - 5.2.6 Ajuste del sistema agua - etanol - tolueno mediante la ecuación NRTL - 5.2.7 Comparación entre los puntos de pliegue experimentales y los calculados
    • 5.3 E CUACIÓN NRTL MODIFICADA
      • 5.3.1 Ajuste del sistema agua - etanol - hexano mediante la ecuación NRTL modificada
      • 5.3.2 Ajuste del sistema agua - etanol - ciclohexano mediante la ecuación NRTL modificada
      • 5.3.3 Ajuste del sistema agua - etanol - isoctano mediante la ecuación NRTL modificada
      • 5.3.4 Ajuste del sistema agua - etanol - tolueno mediante la ecuación NRTL modificada
    • 5.4 I NTERPOLACIONES TIPO “ SPLINE ” Y POLINÓMICAS C ORRELACIONES H AND
      • 5.4.1 Sistema agua – etanol – hexano mediante interpolaciones
      • 5.4.2 Sistema agua – etanol – ciclohexano mediante interpolaciones
      • 5.4.3 Sistema agua – etanol – isoctano mediante interpolaciones
      • 5.4.4 Sistema agua – etanol – tolueno mediante interpolaciones
  • 6 SIMULACIÓN DE DATOS EXPERIMENTALES .................................................
  • UNIFAC E INTERPOLACIÓN A KIMA PARA EL EQUILIBRIO LÍQUIDO - LÍQUIDO 6.1 S IMULACIÓN DE DATOS EXPERIMENTALES CON MODELO TERMODINÁMICO - 6.1.6 Valoración global de los resultados
    • 6.2 E STUDIO DEL CONSUMO ENERGÉTICO DEL PROCESO ESTUDIADO
      • 6.2.1 Estudio del consumo energético del proceso “convencional”
  • 7 CONCLUSIONES ......................................................................................................
  • 8 BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................
  • I. ANEXO I: DATOS EXPERIMENTALES ................................................................
    • A. A GUA 6% - E TANOL – H EXANO
    • B. A GUA 11% - E TANOL – H EXANO
    • C. A GUA - E TANOL – C ICLOHEXANO
    • D. A GUA - E TANOL – I SOCTANO
    • E. A GUA - E TANOL – T OLUENO
    • F. A GUA - E TANOL – H EXANO – I SOCTANO
    • G. A GUA - E TANOL – C ICLOHEXANO - I SOCTANO
    • H. A GUA - E TANOL – H EXANO – C ICLOHEXANO - I SOCTANO
    • I. A GUA - E TANOL – H EXANO – C ICLOHEXANO – I SOCTANO - T OLUENO
    • J. A GUA - E TANOL – G ASOLINA COMERCIAL
  • Figura 1–1. Emisiones de CO 2 por sectores en 2008.
    • combustibles fósiles. Figura 1–2. Comparación de las emisiones de CO 2 procedentes de biocombustibles y
  • Figura 1–3. Esquema general del proceso fotosintético.
  • Figura 1–4. Proceso de obtención de bioetanol.
    • se utiliza el componente E como agente separador. Figura 1–5. Figura esquemática de una separación azeotrópica de componentes A y B, en la que
  • Figura 3–1. Diagrama de flujo del proceso.
  • Figura 3–2. Esquema de la destilación azeotrópica en un sistema ternario................................
  • Figura 3–3. Esquema de los platos de la columna de destilación.
  • Figura 3–4. Condensador de la columna de destilación.............................................................
  • Figura 3–5. Decantador para el condensado proveniente de la cabeza de la columna.
  • Figura 3–6. Esquema de la separación de fases en el decantador.
  • Figura 3–7. Bomba peristáltica de la columa y vasos de los alimentos.
  • Figura 3–8. Bomba peristáltica para el alimento de la mezcla agua - etanol.
    • producto de cola. Figura 3–9. Precalentador de la mezcla de hidrocarburos y llave de toma de muestras del
  • Figura 3–10. Cambiadores de calor para las corrientes de alimentación de la columna.
  • Figura 3–11. Cambiador de calor con resistencia eléctrica para la mezcla de hidrocarburos.
  • Figura 3–12. Resistencia eléctrica sumergida para la calefacción del circuito de aceite térmico.
  • Figura 3–13. Bomba centrífuga para el circuito de aceite térmico.
  • Figura 3–14. Cuadro de controladores de los intercambiadores de calor.
  • Figura 3–15. Bomba para la circulación del circuito de refrigeración.
  • Figura 3–16. Cambiador de calor para el circuito de refrigeración.
  • Figura 3–17. Cuadro eléctrico de las bombas de fluidos de refrigeración y calefacción.
  • Figura 3–18. Frascos con tapón de rosca para la toma de muestras.
  • Figura 3–19. Equipo para la valoración Karl-Fischer DL-31 de Mettler-Toledo.
  • Figura 3–20. Cromatógrafo de gases Shimadzu GC-RA con detector TCD.

Figura 3–21. Cromatógrafo de gases con columna capilar. ....................................................... 72

Figura 3–22. Embudos de decantación empleados para la recuperación del producto de cola.. 74

Figura 3–23. Columna de destilación para la recuperación de la fase acuosa. ............................ 75

Figura 4–1. Caudales del sistema agua 6% - etanol - hexano. ................................................... 80

Figura 4–2. Fracciones másicas en la fase acuosa para el sistema agua 6% - etanol - hexano. ... 80

Figura 4–3. Fracciones másicas de etanol y hexano en el producto de cola para el sistema agua 6% - etanol - hexano. ........................................................................................................ 81

Figura 4–4. Fracción másica de agua en el producto de cola para el sistema agua 6% - etanol - hexano. .............................................................................................................................. 81

Figura 4–5. Caudales del sistema agua 11% - etanol - hexano. ................................................. 82

Figura 4–6. Fracciones másicas en la fase acuosa para el sistema agua 11% - etanol - hexano.. 82

Figura 4–7. Fracciones másicas de etanol y hexano en el producto de cola para el sistema agua 11% - etanol - hexano. ...................................................................................................... 83

Figura 4–8. Fracción másica de agua en el producto de cola para el sistema agua 11% - etanol - hexano. .............................................................................................................................. 83

Figura 4–9. Caudales del sistema agua 7% - etanol - ciclohexano. ............................................ 84

Figura 4–10. Fracciones másicas en la fase acuosa para el sistema agua 7% - etanol - ciclohexano. .......................................................................................................................................... 84

Figura 4–11. Fracciones másicas de etanol y ciclohexano en el producto de cola para el sistema agua 7% - etanol - ciclohexano. ........................................................................................ 85

Figura 4–12. Fracción másica de agua en el producto de cola para el sistema agua 7% - etanol - ciclohexano. ...................................................................................................................... 85

Figura 4–13. Caudales del sistema agua 6% - etanol - isoctano. ............................................... 86

Figura 4–14. Fracciones másicas en la fase acuosa para el sistema agua 6% - etanol - isoctano. 86

Figura 4–15. Fracciones másicas de etanol e isoctano en el producto de cola para el sistema agua 6% - etanol - isoctano. ...................................................................................................... 87

Figura 4–16. Fracción másica de agua en el producto de cola para el sistema agua 6% - etanol - isoctano. ............................................................................................................................ 87

Figura 4–17. Caudales del sistema agua 9% - etanol - tolueno.................................................. 88

Figura 4–18. Fracciones másicas en la fase acuosa para el sistema agua 9% - etanol - tolueno.. 88

Figura 4–19. Fracciones másicas de etanol y tolueno en el producto de cola para el sistema agua 9% - etanol - tolueno. ....................................................................................................... 89

Figura 4–38. Fracción másica de etanol en el producto de cola en el sistema agua - etanol - gasolina comercial. ............................................................................................................ 99

Figura 4–39. Fracción másica de agua en el producto de cola en el sistema agua - etanol - gasolina comercial. ............................................................................................................ 99

Figura 4–40. Caudales del producto de cabeza y de cola para los sistemas con un solo hidrocarburo. .................................................................................................................. 103

Figura 4–41. Caudales del producto de cabeza y de cola para los sistemas con mezclas de hidrocarburos. ................................................................................................................. 103

Figura 4–42. Fracción másica de agua en el producto de cola de los sistemas con un solo hidrocarburo. .................................................................................................................. 104

Figura 4–43. Fracción másica de agua en el producto de cola de los sistemas con mezclas de hidrocarburos. ................................................................................................................. 104

Figura 4–44. Fracción másica de agua en el producto de cabeza de los sistemas con un solo hidrocarburo. .................................................................................................................. 105

Figura 4–45. Fracción másica de agua en el producto de cabeza de los sistemas con mezclas de hidrocarburos. ................................................................................................................. 105

Figura 4–46. Fracción másica de etanol en el producto de cabeza de los sistemas con un solo hidrocarburo. .................................................................................................................. 106

Figura 4–47. Fracción másica de etanol en el producto de cabeza de los sistemas con mezclas de hidrocarburos. ................................................................................................................. 106

Figura 4–48. Fracción másica de etanol en el producto de cola de los sistemas con un solo hidrocarburo. .................................................................................................................. 107

Figura 4–49. Fracción másica de etanol en el producto de cola de los sistemas con mezclas de hidrocarburos. ................................................................................................................. 107

Figura 4–50. Comparación de los caudales de la fase acuosa de los sistemas agua 6% - etanol - hexano y agua 11% - etanol - hexano. ............................................................................. 108

Figura 4–51. Comparación de los caudales del producto de cola de los sistemas agua 6% - etanol

  • hexano y agua 11% - etanol - hexano. .......................................................................... 108

Figura 4–52. Comparación de la fracción másica de etanol en el producto de cola de los sistemas agua 6% - etanol - hexano y agua 11% - etanol - hexano. ............................................... 109

Figura 4–53. Comparación de la fracción másica de agua en el producto de cola de los sistemas agua 6% - etanol - hexano y agua 11% - etanol - hexano. ............................................... 109

Figura 4–54. Comparación de los caudales del producto de cabeza de los sistemas agua 6% - etanol - hexano - isoctano y agua 6% - etanol - hexano - ciclohexano - isoctano - tolueno. ........................................................................................................................................ 111

Figura 4–55. Comparación de los caudales del producto de cola de los sistemas agua 6% - etanol

  • hexano - isoctano y agua 6% - etanol - hexano - ciclohexano - isoctano - tolueno. ..... 111

Figura 4–56. Comparación de la fracción másica de etanol en el producto de cola de los sistemas agua 6% - etanol - hexano - isoctano y agua 6% - etanol - hexano - ciclohexano - isoctano

  • tolueno. ........................................................................................................................ 112

Figura 4–57. Comparación de la fracción másica de agua en el producto de cola de los sistemas agua 6% - etanol - hexano - isoctano y agua 6% - etanol - hexano - ciclohexano - isoctano

  • tolueno. ........................................................................................................................ 112

Figura 5–1. Ajuste de datos mediante ecuaciones empíricas para el sistema agua - etanol - hexano. ............................................................................................................................ 119

Figura 5–2. Ajuste de datos mediante ecuaciones empíricas para el sistema agua - etanol - ciclohexano. .................................................................................................................... 120

Figura 5–3. Ajuste de datos mediante ecuaciones empíricas para el sistema agua - etanol - isoctano. .......................................................................................................................... 121

Figura 5–4. Ajuste de datos mediante ecuaciones empíricas para el sistema agua - etanol - tolueno. ........................................................................................................................... 122

Figura 5–5. Ajuste de datos de equilibrio LL mediante NRTL para el sistema agua - etanol - hexano. ............................................................................................................................ 127

Figura 5–6. Ajuste de datos de equilibrio LL mediante NRTL para el sistema agua - etanol - ciclohexano. .................................................................................................................... 128

Figura 5–7. Ajuste de datos de equilibrio LL mediante NRTL para el sistema agua - etanol - isoctano. .......................................................................................................................... 129

Figura 5–8. Ajuste de datos de equilibrio LL mediante NRTL para el sistema agua - etanol - tolueno. ........................................................................................................................... 130

Figura 5–9. Ajuste de datos de equilibrio LL mediante NRTL modificado para el sistema agua

  • etanol - hexano. ............................................................................................................ 134

Figura 5–10. Ajuste de datos de equilibrio LL mediante NRTL modificado para el sistema agua

  • etanol - ciclohexano...................................................................................................... 135

Figura 5–11. Ajuste de datos de equilibrio LL mediante NRTL modificado para el sistema agua

  • etanol - isoctano. .......................................................................................................... 136

Figura 5–12. Ajuste de datos de equilibrio LL mediante NRTL modificado para el sistema agua

  • etanol - tolueno. ........................................................................................................... 137

Figura 5–13. Ajuste de datos de equilibrio LL mediante ecuación de Hand para el sistema agua

  • etanol - hexano. ............................................................................................................ 138