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27. PLANTA DE PRODUCCIÓN DE ETANOL 
 
 
1. OBJETIVOS 
 
1.1. Determinar los grados de libertad requeridos para una especificación completa de 
diversas columnas de absorción y destilación 
1.2. Aplicar un modelo de actividad para un manejo real del comportamiento de una 
mezcla 
1.3. Simular un tren de columnas de separación para la obtención de etanol a partir de 
producto de un proceso de fermentación 
 
2. PROCESO ESTUDIADO 
 
Típicamente, un proceso de fermentación para la producción de etanol produce, 
principalmente, etanol mas pequeñas cantidades de otros productos como metanol, 1-
propanol, 2-propanol, 1-butanol, 3-metil-1-butanol, 2-pentanol, ácido acético y CO2. En 
este proceso se toma esta mezcla y se somete a una separación de fases isotérmica para, 
inicialmente, separar el bióxido de carbono del alcohol. 
 
Columna de absorción simple (Lavadora) 
 
La corriente en fase vapor, y con un gran contenido de bióxido de carbono, arrastra algo de 
etanol y, por tal razón, es lavada con agua en una columna de absorción simple donde se 
recupera algo de etanol, que es recirculado nuevamente al fermentador y el vapor rico en 
bióxido de carbono se ventea. 
 
Una columna de absorción simple con N etapas de equilibrio y C componentes requiere de 
la especificación de un número de grados de libertad dado por 
 
 
 722 ++= NCG (27.1) 
 
 
Si se especifican las dos corrientes de entrada y se admiten las 2N especificaciones 
sugeridas por el simulador, el número de especificaciones requeridas para una simulación 
completa de este tipo de columna es de tres 
 
Columna de absorción con producto lateral (Concentradora) 
 
La corriente en fase líquida que emerge del separador de fases contiene el etanol que se 
quiere recuperar mediante un tren de columnas de separación. Inicialmente, dicha corriente 
es alimentada a una columna de absorción con una corriente de producto lateral en la cual 
los dos productos superiores son concentrados en alcohol y el producto de fondo es 
esencialmente agua. Una columna de absorción de este tipo con N etapas de equilibrio y C 
componentes requiere de la especificación de un número de grados de libertad dado por 
 
 922 ++= NCG (27.2) 
 
 
Si se especifican las dos corrientes de entrada y se admiten las 2N especificaciones 
sugeridas por el simulador, el número de especificaciones requeridas para una simulación 
completa es de cinco 
 
Columna de absorción con reflujo y condensador parcial (Purificadora) 
 
El producto en forma de vapor y mas concentrado en etanol que se obtiene en la columna 
anterior es alimentado a una columna de absorción con reflujo con el objeto de purificarlo 
separándolo de los livianos como el bióxido de carbono y el metanol, los cuales son 
venteados. El fondo de esta columna es una solución acuosa concentrada en etanol que se 
alimentará a una columna de destilación 
 
Una columna de absorción de con condensador parcial y reflujo con N etapas de equilibrio 
y C componentes requiere de la especificación de un número de variables dado por la 
expresión 
 
 
 82 ++= NCG (27.3)
 
 
Si se especifica la corriente de entrada y se admiten las 2N especificaciones sugeridas por 
el simulador, el número de especificaciones requeridas para una simulación completa es de 
seis 
 
Columna de destilación con dos alimentos y dos productos laterales (Rectificadora) 
 
La corriente de vapor lateral de la columna de absorción con producto lateral y el producto 
de fondo de la columna de absorción con reflujo se alimentan a una columna de destilación 
cuyo propósito es hacer una rectificación y obtener una solución acuosa de etanol 
azeotrópico con presencia en muy bajas concentraciones de otros componentes como el 
bióxido de carbono y el metanol. Este producto es el que se recoge a partir del plato 2 de la 
columna. Los otros cuatro productos son mezclas de composiciones diferentes. 
 
Un aspecto interesante, es la concentración de alcoholes pesados en el interior de estaa 
columna. Estos alcoholes son normalmente denominados como “Fusel Oils”, y pequeñas 
corrientes de líquido son acondicionadas en la columna para recuperar a estos 
componentes. 
 
Una columna de destilación de este tipo con N etapas de equilibrio y C componentes 
requiere de la especificación de un número de variables dado por la expresión 
 
 
 1822 ++= NCG (27.4) 
 180
Si se especifican las dos corrientes de entrada y se admiten las 2N especificaciones 
sugeridas por el simulador, el número de especificaciones requeridas para una simulación 
completa es de catorce 
 
El diagrama de flujo final del proceso descrito para la producción de etanol a partir de un 
producto de una fermentación se muestra en la Figura 1. 
 
 
 
Figura 1. Planta para producción de etanol 
 
3. PAQUETE FLUIDO 
 
1. Ecuación: Un modelo de actividad (a excepción del modelo de Wilson, que no 
puede predecir dos fases líquidas) puede utilizarse para resolver esta simulación. 
Seleccione el NRTL. Sobre la pestaña “Binary Coeffs” de la ventana de propiedades 
del paquete fluido utilice el método de estimación “UNIFAC VLE” y presione el 
botón “Unknowns Only” para estimar los coeficientes binarios omitidos. 
2. Componentes: Etanol, agua, CO2, metanol, ácido acético, 1-propanol, 2-propanol, 
1-butanol, 3-metil-1-butanol, 2 pentanol y glicerol 
 
4. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO 
 
1. Instale las siguientes corrientes con las especificaciones mostradas a continuación: 
 
Nombre A F S 
Temperatura (C) 25 30 140 
Presión (kPa) 101.3 101.3 101.3 
Flujo Molar (kgmol/h) 130 2400 
Flujo Másico (kg/h) 11000 
 181
Composición (Fracción Mol) 
 Etanol 0 0.026900000 0 
 Agua 1 0.946400000 1 
 Bióxido de carbono 0 0.026600000 0 
 Metanol 0 0.000026930 0 
 Acido acético 0 0.000003326 0 
 1-Propanol 0 0.000009077 0 
 2-Propanol 0 0.000009096 0 
 1-Butanol 0 0.000006587 0 
 3-Metil-1-Butanol 0 0.000021480 0 
 2-Pentanol 0 0.000005426 0 
 Glicerol 0 0.000006640 0 
 
Separador de fases 
 
2. Instale un separador de fases, asígnele como nombre “V-100”. Aliméntelo con la 
corriente “F” y denomine como “V” a la corriente que emerge como vapor y como 
“L” a la corriente de líquido. En este separador además de separar las fases, se 
elimina el bióxido de carbono 
 
Columna lavadora 
 
3. Para el lavado de la corriente “V”, instale una columna de absorción simple y 
denomínela “T-100”. En esta columna se agotará el etanol arrastrado por la 
corriente “V” y se producirá un vapor de cabeza de bióxido de carbono 
esencialmente puro. El producto de fondos es recirculado al proceso de 
fermentación. 
 
4. Mediante el asistente especifique a la columna “T-100” como se observa en la 
ventana de propiedades mostrada en la Figura 2. Recuerde que este tipo de columna 
requiere de tres especificaciones 
 
Columna Concentradora 
 
5. Para la operación de concentración del fondo de la corriente “L”, instale una 
columna de absorción simple con el nombre de “T-101” y conéctele una corriente 
lateral de vapor con el nombre “V2”. Las temperaturas en el tope y en el fondo son 
90 °C y 110 °C, respectivamente. Especifique sus conexiones y especificaciones 
como lo muestra la Figura 3. Recuerde que este tipo de columna requiere de cinco 
especificaciones 
 
6. Complete la instalación de la columna introduciendo las siguientes especificaciones 
 
1. Comp Recovery Active 
 Draw V2 
 SpecValue 0.95 
 Component Ethanol 
 182
 
 
Figura 2. Columna lavadora de bióxido de carbono 
 
 
2. Draw Rate 1 Estimate 
 Draw V2 
 Flow Basis Mass 
 Spec Value 5000 kg / h 
 
3. Draw Rate 2 Estimate 
 Draw V1 
 Flow Basis Molar 
 Spec Value 1000 kgmole / h 
 
 
 
 
Figura 3. Columna concentradora 
 183
Presione el botón “Run”, si es necesario, en la ventana de propiedades de la 
columna, para calcular las corrientes de productos dela columna Concentradora 
 
Columna Purificadora 
 
7. Para la purificación de los vapores “V1”, instale una columna de absorción con 
reflujo con el nombre de “T-102” y especifíquela como se observa en la Figura 4. 
Recuerde que para este tipo de columna se requieren seis especificaciones 
 
8. Borre las especificaciones “Btms Prod Rate” y “Reflux Ratio” que aparecen por 
defecto en el grupo “Column Specification” de la página “Monitor” y agregue las 
siguientes especificaciones a la columna 
 
1. Vap Prod Rate Active 
 Draw V3 
 Flow Basis Molar 
 Spec Value 1.6 kgmole / h 
 
 
 
 
Figura 4. Columna Purificadora 
 
 
2. Comp Fraction Active 
 Stage Condenser 
 Flow Basis Mass Fraction 
 Phase Liquid 
 Spec Value 0.88 
 Component Ethanol 
 
 
 184
3. Reflux Ratio Estimate 
 Stage Condenser 
 Flow Basis Molar 
 Spec Value 5.00 
 
4. Distillate Rate Estimate 
 Draw P2 
 Flow Basis Molar 
 Spec Value 2.10 kgmole / h 
 
Presione el botón “Run” en la ventana de propiedades de la columna para calcular 
las corrientes de productos de la columna “T-102”. 
 
Columna Rectificadora 
 
9. El producto principal de una planta como ésta, es una mezcla azeotrópica de etanol 
y agua. La columna rectificadora de nombre “T-103” se opera como una columna 
de destilación convencional y sirve para concentrar la mezcla etanol / agua hasta 
una concentración próxima a la azeotrópica. Contiene un condensador parcial y un 
rehervidor. Las temperaturas estimadas en el condensador y rehervidor son 79°C y 
100°C, respectivamente. Instale esta columna con las especificaciones observadas 
en la Figura 5 
 
 
 
 
Figura 5. Columna Rectificadora 
 
 185
Borre las especificaciones “Btms Prod Rate” y “Reflux Rate” que aparecen por 
defecto en el grupo “Column Specification y agregue las siguientes especificaciones 
a la columna 
 
1. Reflux Ratio Active 
 Stage Condenser 
 Flow Basis Molar 
 Spec Value 7100 
 
2. Ovhd Vap Rate Active 
 Draw V4 
 Flow Basis Molar 
 Spec Value 0.100 kgmole / h 
 
3. Distillate Rate Active 
 Draw D 
 Flow Basis Mass 
 Spec Value 2.00 kg / h 
 
4. Comp Frac Active 
 Stage 2_Main TS 
 Flow Basis Mass Fraction 
 Phase Liquid 
 Spec Value 0.95 
 Component Ethanol 
 
5. Fusel Draw Rate Active 
 Draw Fusel 
 Flow Basis Mass 
 Spec Value 3.00 kg / h 
 
 
6. P1 Draw Rate Estimate 
 Draw P1 
 Flow Basis Molar 
 Spec Value 68.00 kgmole / h 
 
Damping Factor 0.25 
Enable 
 
Azeotrope Check ON 
 
 
5. CASO DE ESTUDIO 
 
Encuentre una explicación a por qué la corriente “Fusel” se instaló en la etapa 20 
 186