Biodiesel en Chemcad

BIODIESEL EN CHEMCAD El Reto – Producción de Biodiesel Demanda de Biodiesel:

La mira de muchos productores de biodiesel es actualmente conseguir instalaciones de producción y ponerla en ejecución tan rápido como sea posible, para tomar ventaja de la demanda actual. Como el proceso bastante bien conocido, bien desarrollado, y relativamente simple de diseñar, construir y operar, ahora solamente la simulación rigurosa es la que genera mayor interés. Esto ha iluminado significativamente la oportunidad de agregar valor en la optimización del proceso(s), incluyendo el uso de la energía y la conversión del reactor, para los muchos productores enfocados al futuro del biodiesel y grupos del desarrollo de proceso. Los productores de Biodiesel alrededor del mundo están en una variedad de etapa de desarrollo: en tempranas etapas de diseño, etapas de especificación de equipo finales, o actualmente solo producir el biodiesel. Decisiones con respecto a qué proceso específico utilizar, qué materia base utilizar (y cuan flexible el proceso puede ser a las variaciones de materias base), y qué equipo a utilizar se puede hacer “offline” con los modelos rigurosos. Un diagrama de flujo del proceso (PFD) con un balance de materia y energía en CHEMCAD permite diseño de procesos eficiente a cualquier nivel de optimización/fidelidad que sea requerido. Como la industria del biodiesel está en un estado de flujo, las cinco principales fuerzas que afectan la industria de proceso químico global (competición global creciente, ciclos de vida más cortos del producto, alza de costos del combustible/de la materia base y presión del comprador, reducido personal de ingeniería, e incremento de regulación/opinión pública) están empezando a conducir a los productores a requerir procesos optimizados, alta productividad (de las herramientas y del personal), un mejor planeamiento/programación/integración con los procesos del negocio, y limpias/verdes/ sostenibles instalaciones. Las simulaciones de CHEMCAD son un punto de partida para tratar todos estos problemas ahora. Este documento esbozará los recursos requeridos y las ventajas/desventajas para varios niveles de fidelidad de CHEMCAD. Proceso de producción de Biodiesel

Un típico diagrama de proceso de catalizador-base (véase la sección de la REACCIÓN abajo para alternativas) se muestra abajo. En este caso, el proceso previo del aceite de desecho es mostrado en contorno punteado en la parte superior.

Ing. Cristian Mendoza Ch. Soporte en Software de Ingeniería QUALITY PROFESSIONAL SOFTWARE S.A.C. Telefax: (51)(1) 349-9432 Movil Claro: (51)(1) 997304966 E-mail: [email protected] Web: www.qualityprofessionalsoftware.com

Componentes Químicos: Toda aceite vegetal o grasa animal puede ser usada como una materia prima para la producción de biodiesel; ya que son productos naturales, son mezclas de varios componentes aceites y grasas. Estos aceites y grasas son moléculas de triglicéridos (glicerina esterificada con t res ácidos grasos). Los grupos -RX mostrados aquí varían según según la fuent fuentee de la grasa/aceite: grasa/ace ite:

Para aceites no utilizados, como la soja, Palma, manteca, etc., hay un ensayo típico que muestra el porcentaje de los constituyentes de ácidos grasos (de los grupos –Rx arriba) que componen el aceite/grasa. A continuación se muestra una tabla que muestra los porcentajes de peso de ácidos grasos contenidos en una serie de aceites y grasas comunes:


Composición de diversas grasas y aceites: Como puede verse en la tabla anterior, implementación de la base de datos de DIPPR del CHEMCAD proporciona a los usuarios la mayoría de los compuestos de ácidos grasos, pero sólo algunos de los ésteres de metilo. Chemstations tiene acceso a propiedades físicas de muchos de los ésteres de metilo de fuentes de literatura y los proporcionará cuando sea solicitado por los clientes de manera que se pueden agregar compuestos de usuario a los flowsheets de biodiesel. Cuando se ha utilizado el aceite (aceite de residuos), hay generalmente mayores cantidades de ácidos grasos libres presentes que en aceites vírgenes (debido al calor de cocción, cocción, por ejemplo). ejemplo). Para la producción de biodiesel, estos ácidos grasos libres deben ser eliminados con una base o pre-procesadas con esterificación ácida a ésteres antes de la transesterification para prevenir la formaci for mación ón de jabón.

Aceites/grasas para la reacción de Biodiesel Los tres métodos básicos de producción de éster apartir de aceites y grasas son: 1. Base catalyzed transesterifica t ransesterification, tion, 2. Acid catalyzed esterification y 3. Enzymatic catalysis cata lysis.. Cada reacción tiene asociados parámetros de funcionamiento óptimos (T & P) y la conversión, aunque gran parte de la literatura disponible hace hincapié en la ruta catalyzed base debido a que se afirma ser el más económico. La general base catalyzed reacción, por ejemplo es como sigue:

El proceso de reacción r eacción en tres pasos reversibles: 1) los triglicéridos reaccionan con el alcohol para formar una diglicerido y un ácido graso éster, 2) el diglicerido reacciona con el alcohol para formar una monoglicerido y un ácido graso éster, y 3) el monoglicerido reacciona con el alcohol para formar glicerina y un ácido graso éster. Por ejemplo, si se utiliza aceite de Palma, con al menos 9 grupos de ácidos grasos diferentes, diferentes, allí podrían potencialmente potencialmente estar presentes 729 triglicéridos diferentes, 81 digliceridos diferentes y 9 monogliceridos diferentes. Basado en el ensayo de cualquier part icular partida de aceite/grasa, habrá un ensayo asociado de ácidos grasos ésteres en el producto final de biodiesel. El tipo de alcohol utilizado determina el tipo de ésteres formado (por ejemplo, si se utiliza los metanol o etanol, a continuación, se forman ésteres metilo o etílico). Ing. Cristian Mendoza Ch. Soporte en Software de Ingeniería QUALITY PROFESSIONAL SOFTWARE S.A.C. Telefax: (51)(1) 349-9432 Movil Claro: (51)(1) 997304966 E-mail: [email protected] Web: www.qualityprofessionalsoftware.com

La Solución: Simulación en Chemcad Método riguroso Requerimientos: 

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Propiedades físicas de todo los componentes constituyentes aceites/grasa (TGs, DGs, MGs), ácidos grasos y éster ácidos grasos productos. Todos los parámetros cinéticos para todas las reacciones (constantes Arrhenius) Arrhenius) Vapor-liquido-Liquido Vapor-liquido-Liquido BIPs para todos los pares de componentes componentes en separaciones críticas

Ventajas:  

Comparar fácilmente el rendimiento de planta para varios/variando varios/variando materias primas. Optimizar fácilmente fácilme nte tanto las secciones de reacción reacció n y separación. separació n.

Desventajas: 

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Enorme cantidad de datos necesarios, gran parte de la cual no está disponible en literatura. Costosas fuentes de medición necesarias. Simulación probablemente será no muy rápida debido del gran número de componentes y reacciones, reacciones, limitación de oportunidades de optimización en tiempo real.

Método no riguroso: Requerimientos 

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Solo un ácido graso para representar aceite/grasa: ácido oleico es un componente importante de muchos aceites vegetales. Una común aproximación consiste en utilizar triolein para representar la forma de triglicéridos tr iglicéridos del ácido ácido oleico. Solo un ácido graso éster para representar biodiesel producto: el ácido graso methyl ester (FAME) derivado(s) para el componente utilizado como aceite vegetal. Por ejemplo, si usted asume que el ácido oleico es su forma de ácidos grasos (con triolein siendo el triglicérido), a continuación, methyl oleate (C19H36O2) puede utilizarse como su FAME. BIPs de vapor-liquido-Liquido (o datos para regresión) para el sistema FAME/glicerina/metanol Asumir conversión en reacción estequiometrica, reacción forzada. Es común para modelar la reacción como si tuviera conversión de 90 % de materia prima en biodiesel. Muchos usuarios comienzan su modelo con esta suposición, incluso si planea agregar cinética más tarde.

Ventajas:  

Simple y rápida para construir balances de materia y energía. No hay necesidad de encontrar datos para todos los elementos constitutivos: utilizar un solo componente permite una reacción de transesterification única. El ácido oleico (C18H34O2) es el principal ácido graso en aceite de canola (Lawson, 1995). Triolein (C57H104O6) puede utilizarse para representar la forma de triglicéridos de ácido oleico y esta disponible para uso en Ing. Cristian Mendoza Ch. Soporte en Software de Ingeniería QUALITY PROFESSIONAL SOFTWARE S.A.C. Telefax: (51)(1) 349-9432 Movil Claro: (51)(1) 997304966 E-mail: [email protected] Web: www.qualityprofessionalsoftware.com

un simulador del proceso. Triglicéridos son el principal componente de aceite vegetal (Zhang, 2003). Zhang observó que la forma diglicérido y monoglicérido sólo se observaron como productos intermedios, intermedios, con alto metanol para ratios rat ios de aceite.

Desventajas:  

No hay capacidad para comparar rendimiento de planta para varios/variación varios/variación de materias primas Modelo de baja fidelidad; menos capacidad para realizar optimización y menos capacidad para utilizar optimización en tiempo t iempo real.

Método hibrido Requerimientos: 

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Simple y/o comprimida lista de ácidos grasos para representar el aceite/grasas. El aceite de canola, por ejemplo, podría representarse como una mezcla de ácido oleico, ácido linoleico y el ácido linolénico. Lista comprimida de ésteres ácidos grasos para representar producto de biodiesel. Una vez más, utilizando los ésteres de la lista elegida para ácidos grasos (canola: oleate de metilo, metil linoleate, metil linolenate) Lista comprimida de parámetros BIP de vapor-liquido-Liquido vapor-liquido-Liquido (V-L-L) ( V-L-L) para ácidos grasos, Glicerina y metanol Lista comprimida de parámetros cinéticos. Cinética están disponibles disponibles para varios aceites/grasas de la literatura para simplificadas, simplificadas, reacciones reversibles:

Ventajas: 

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Capacidad para comparar rendimiento de planta para varias/variando materias primas (requiere o bien varias versiones de flowsheet para diferentes aceites o asegurando que TG, DG, MG, estén separados y la cinética esta incluida para cada potencial aceite/grasa utilizado) una mejor fidelidad para unidades de separación (columnas de destilación, unidades de separación asentamiento/fase) Optimización de las secciones de reacción y la separación es posible. Mediana fidelidad y tiempo de simulación más rápido, dan soluciones de optimización potenciales para el tiempo real.

Desventajas:  

Más trabajo para construir la lista de componentes componentes y cinética para el reactor. r eactor. Más trabajo para encontrar y realizar regresión de datos para BIPs V-L-L.


Ejemplo (Base Catalyzed System) simulación en Chemcad Una revisión del modelo tipo “Hibrido” en Chemcad:


Análisis de corriente clave Clientes podrán solicitar los archivos de CHEMCAD para este flowsheet junto con flowsheets para: 1. Un proceso acid catalyzed, 2. El tratamiento previo de aceites residuales y 3. “Un proceso para producir biodiesel de residuos de aceite utilizando hexano”.

Preguntas frecuentes para la simulación de Biodiesel en CHEMCAD Hice nuevos componentes para biodiesel/aceite/glicerina. ¿Por qué están los componentes pasando pasando a vapor? Al realizar nuevos componentes en CHEMCAD, se prevén propiedades críticas. La presión de vapor se prevé a partir de estos valores con una correlación aproximada. No es raro tener un resultado poco realista para la presión de vapor, especialmente para el biodiesel. Para mejorar los resultados, realice la regresión de los datos de presión de vapor de los componentes. Presión de vapor experimental debe mostrar una curva de baja presión de vapor para estos componentes. Seleccione Thermophysical > Component Database > Component Property Regression para realizar la regresión de presión de vapor para el componente. Si no hay datos experimentales, considere regresión de datos hipotéticos que muestran una baja presión de vapor. Esto evitará que el componente pase a vapor. Asegúrese de que los datos hipotéticos son coherentes con su punto de ebullición normal. La presión de vapor frente a la curva de temperatura de triolein puede ser útil como referenci r eferencia. a.

¿Qué otras propiedades son importantes para mis nuevos componentes? Modelos típicos implican la destilación y flasheo. Las propiedades de transporte más importantes para químicos que el usuario añadió son la presión de vapor, capacidad de calor líquido, calor de vaporización y capacidad de calor del vapor . Densidad es útil para los cálculos de bomba. Conductividad térmica y viscosidad del líquido llegan a ser importantes si está utilizando CC-THERM.

¿Cómo modelar la unidad de asentamiento o un lavado? La unidad de asentamiento es normalmente un separador de líquido y líquidos. Se podría utilizar un flash UnitOp con tres salidas para una separación de líquidos y líquidos. Si va a realizar un lavado de agua, puede utilizar una columna de extracción con un pequeño número de etapas. Zhang utiliza una columna de extracción con cuatro etapas ideales para representar lavado, seguido por unidades de flash de líquido-líquido para representar el asentamiento asenta miento de gravedad.

¿Qué termodinámica utilizo? Es una cuestión delicada: termodinámica puede ser muy importante para este modelo. Biodiesel, metanol, agua, aceite vegetal y residuos de glicerina tienen termodinámica no ideal. Es común utilizar una extracción de líquido-líquido para separar el biodiesel de la glicerina. Su modelo debe predecir dos fases líquidas para realizar esta separación. El proceso de cata lyzed base o ácid catalyzed puede requerir Ing. Cristian Mendoza Ch. Soporte en Software de Ingeniería QUALITY PROFESSIONAL SOFTWARE S.A.C. Telefax: (51)(1) 349-9432 Movil Claro: (51)(1) 997304966 E-mail: [email protected] Web: www.qualityprofessionalsoftware.com

termodinámica de electrolitos, para la neutralización y calor de solución. Es común utilizar NRTL, UNIQUAC o UNIFAC modificado para que este proceso. Aquí están algunas prácticas recomendadas por nuestras experiencias de modelado: 

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Asignar subgrupos UNIFAC a los componen co mponentes tes se usa para Biodiesel, aceite vegetal y glicerina. Esto permitirá que un método de subgrupos a ‘predecir’ VLE basado en subgrupos usar NRTL para la sección de transesterification y recuperación de metanol de la flowsheet. Utilice UNIFAC modificado para la separación de líquidos y líquidos y las columnas de purificación (evaporadores). Si usted va a utilizar electrolitos, debe usar NRTL para la flowsheet entera. Realice la regresión de BIPs para sistemas agua-biodiesel, biodiesel-aceite, aceite-agua, biodiesel-metanol, y biodiesel-glicerina. Use datos de metanol particionad part icionados os desde Chiu hasta estándares de comparación comparación la separación separación de metanol en la unidad de extracción. Utilizar datos experimentales para realizar la regresión de BIPs más exactas (Thermophysical > Regress BIPs ) en caso de existir. existir.

¿Cómo modelar la neutralización? El paquete de electrolitos sólo muestra neutralización si tiene verdaderas especies de electrolitos activados. Si no utiliza utiliza verdaderas especies especies de electrolitos en su su flowsheet, es común utilizar un reactor isotérmico estequiometrico para realizar la neutralización. Desactivar electrolitos en esta UnitOp si está utilizando aparente especies de electrolitos. La carga de calor de este UnitOp será sin sentido; realizar r ealizar la neutralización de especies verdaderas de electrolitos si necesita más riguroso cálculo de carga de calor.

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