CAP 4 DISEÑO DE REACTOR

UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUÍZ GALLO

Facultad de Ingeniería Química e Industrias Alimentarías

O Obbtteenncciióónn ddee EEttaannooll A Annhhiiddr r oo aa ppaar r ttiir r ddee M Maaíízz aam maar r iilllloo Diseño de Plantas Industriales I

Informe IV Azula D. / Condezo T. / Inoñan G. / Valverde C. / Zegarra R.

Lambayeque - Junio - 2010

OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO

SELECCIÓN Y DISEÑO DEL REACTOR

El proceso de obtención de etanol anhidro descrito en el capítulo de “Selección y Diseño del Proceso” menciona una serie de condiciones

específicas a las que operan los reactores. En este capítulo veremos las condiciones de operación y sus controles, así como la conversión, volumen de los reactores, forma geométrica de los reactores, sistema de agitación, potencia del agitador, tipos de materiales de construcción de los reactores, ubicación y tamaño de los acoplamientos y mirillas; y todos los accesorios de cada reactor; servirán para seleccionar los tipos de reactores y diseñar al detalle estos equipos que constituyen el corazón o la parte más importante del proceso.

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El proceso de obtención de etanol anhidro descrito en el capítulo de “Selección y Diseño del Proceso” menciona una serie de condiciones

específicas a las que operan los reactores. En este capítulo veremos las condiciones de operación y sus controles, así como la conversión, volumen de los reactores, forma geométrica de los reactores, sistema de agitación, potencia del agitador, tipos de materiales de construcción de los reactores, ubicación y tamaño de los acoplamientos y mirillas; y todos los accesorios de cada reactor; servirán para seleccionar los tipos de reactores y diseñar al detalle estos equipos que constituyen el corazón o la parte más importante del proceso.

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4.1 Análisis del sistema de reacción reacción Es el proceso proceso de producción producción de etanol por el aprovechamiento aprovechamiento total del maíz específicamente por su almidón presente, la ruta de este proceso consta de tres etapas: Primero la licuefacción del almidón presente en la materia prima ya mencionada, seguida de la sacarificación de las dextrinas obtenidas de la primera reacción, y por último se termina con la etapa de fermentación en la cual la glucosa obtenida de la segunda reacción se transforma en etanol, en las tres etapas utilizamos agentes externos como: alfa amilasa, glucoamilasa y la levadura Saccharomyces cerevisiae respectivamente.

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4.1.1 Estequiometria de la reacción. a) Reacción de licuefacción En este paso se fraccionan las cadenas de amilosa y amilopectina. En oligosacáridos de menor peso molecular (dextrinas intermedias), que van desde maltosas hasta maltopentosas principalmente. Anteriormente en la licuefacción se empleaban αmilasas de Bacillus subtilis que a pesar de operar a altas

temperaturas requerían de un etapa previa de enfriamiento, actualmente existen α amilasas de Bacillus licheniformis que

permiten efectuar la gelatinización y la licuefacción simultáneamente. Las altas temperaturas y las fuerzas mecánicas permiten una rápida gelatinización y el proceso opera prácticamente en continuo. La pasta de almidón al 40 − 45% en sólidos es mantenida por solo unos segundos (10 a 15) a 105 − 110 ºC, para posteriormente pasar por poco mas de 2 horas a 90 − 95ºC, esto con el fin de continuar la

acción de la enzima. El hidrolizado así obtenido, con un equivalente de dextrosa, ED , entre 12 y 15 contiene como productos principales, además de dextrinas, maltosa, maltotriosa y maltopentosas

Tabla Nº 4.1 Reacciones ocurridas en la licuefacción en el proceso de obtención de bioetanol a partir de maíz amarillo

RX Nº

REACCION

1

Almidón Dextrinas

CONVERSION

∞amilasa

0.99

4

OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO Fuente: Elaborado por los autores

b) Reacción de sacarificación Los procesos enzimáticos para la producción de glucosa requieren de una segunda etapa después de la licuefacción del almidón, para hidrolizar a glucosa las dextrinas formadas por α

amilasa. Este paso se lleva a cabo en tanques agitados con flujo continuo, con amiloglucosidasa o glucoamilasa. Para la producción de etanol se emplea la combinación de la licuefacción y sacarificación en un solo paso, reduciendo tiempo, nivel de enzima, costos energéticos, de capital y operacionales. Varias modificaciones se han hecho a este proceso encontrándose diferentes rendimientos de acuerdo al tipo de molienda utilizado, por ejemplo, para la molienda en húmedo se usa un sistema en cascada, mientras que para la molienda en seco los mejores rendimientos se logran al usar un proceso de licuefacción y sacarificación simultanea. Las temperaturas de operación son entre 35-40 ºC. manteniéndose un pH de 5.5 para la reacción optima de las enzimas.

Tabla Nº 4.2 Reacciones ocurridas en la sacarificación en el proceso de obtención de bioetanol a partir de maíz amarillo.

Rx Nº

REACCIONES

1

Dextrinas + H2O

CONVERSION glucoamilasa

0.99

Glucosa

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OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO Fuente: Elaborado por los autores

c) Reacción de fermentación La fermentación es una serie compleja de reacciones, las cuales convierten los carbohidratos, principalmente azucares y almidones. En etanol y dióxido de carbono. Varias enzimas, tales como la zimasa de las levaduras, catalizan estas reacciones. La levadura es un organismo vivo, y estos son los productos de la respiración aeróbica. La fermentación con levaduras trabaja mejor a temperaturas en el rango de 25-37 °C, en la ausencia de oxigeno (anaeróbico) y producirá una solución acuosa de hasta 14% de etanol. Debajo de 25°C la velocidad de reacción es demasiada baja, pero a temperaturas muy altas las enzimas empiezan a desnaturalizarse y a perder eficiencia. Si hay presencia de oxigeno, ocurrirá la respiración aeróbica produciendo ácidos carboxílicos, en este caso acido acético (vinagre). Este proceso se acentúa si la concentración de azucares es baja. La toxicidad del etanol sobre los organismos limita la concentración de etanol Tabla Nº 4.3

Reacciones ocurridas en la fermentación en el proceso de obtención de bioetanol a partir de maíz amarillo. Rx Nº

REACCIONES

1

Glucosa

2 Etanol + 2CO2

Glucosa

CO2

2 3 4

CONVERSION

+

0.99

Acetaldehído

+

0.001

Glicerol Glucosa

0.005

CO2 + Alcohol Isoamílico

0.027

+1.5 O2 Glucosa + 1.2 Amoniaco

6Levadura +

2.4 H2O + 0.3 O2

6


Fuente: elaborado por los autores

4.1.2 Análisis de la termodinámica y equilibrio de reacción,

Tabla Nº 3.4 Condiciones de operación en las etapas de obtención de bioetanol a partir de maíz amarillo

Condiciones de operación Equipos Temperatura

Tiempo

Presión

residencia

*licuefacción 

Pre licuefacción



Licuefacción

105 – 110

10 – 15 seg

1 atm

80 - 95

2 horas

1 atm

Reacción *Sacarificación

*Fermentación

32 33

19.5 horas 15 horas

1 atm 1 atm

Fuente: elaborado por los autores

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4.1.3 Cinética y mecanismo de reacción.

Después de obtener las condiciones de pH y temperatura adecuadas de cada enzima, se determinó la cinética de la reacción de cada enzima para establecer los tiempos óptimos de cada reacción. Como el almidón es un sustrato insoluble, sus características cinéticas difieren sustancialmente de las usuales reacciones homogéneas catalizadas por enzimas. La hidrólisis de un sustrato insoluble de almidón requiere la absorción previa de la enzima sobre el mismo. El proceso de adsorción/desorción puede ser descrito según la teoría cinética de Michaelis-Menten es necesario presuponer que nada del producto se revierte al sustrato inicial.

Donde E, representa la concentración de enzimas, S, la del sustrato, (ES)

ad,

la concentración de enzima

adsorbido sobre el sustrato y k1 y k2, son las constantes para la adsorción y deserción, respectivamente esta etapa de adsorción ha sido modelizada, por medio de la isoterma

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OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO de Langmuir. Si consideramos k1/k2 igual a la constante de adsorción k12, entonces:

Donde, Ead, representa la concentración de enzima adsorbido en el equilibrio, E sat, la cantidad de enzima adsorbido a saturación, y E f , la concentración de enzima libre en disolución en el equilibrio. La ecuación cinética de Michaelis - Menten asume q la formación del complejo enzima-sustrato (ES) es un requisito previo para la reacción enzimática:

Donde: ka y ka’, representan las constantes directa y

reversible

de

formación

del

complejo

activado,

respectivamente, Kb, la velocidad de reacción y P, el producto de reacción. Si la relación enzima/sustrato es pequeña y las concentraciones de sustrato están comprendidas entre los límites de saturación, la velocidad de reacción inicial (v) puede expresarse:

9


Donde: Vm, representa la velocidad máxima de reacción (La saturación de enzima) y Km, la constante media de saturación (Km = (Ka’+ Kb)/Ka).

La aplicación de la ecuación clásica de Michaelis Menten permite calcular los parámetros de velocidad máxima de hidrólisis a saturación (Vmax) y la constante media de saturación (Km), que proporcionan información útil sobre el mecanismo de hidrólisis. Sin embargo, tal y como propone Bailey, si tenemos en cuenta

que la

reacción se produce en un sólido hidratado, en el que es prácticamente imposible cambiar la concentración de los lugares específicos del sustrato, parece más conveniente establecer la velocidad de hidrólisis en función de la concentración

de

enzima

que

en

función

de

la

concentración de sustrato, tal y como lo expresa la ecuación de Michaelis - Menten. Además, teniendo en cuenta que el efecto sinérgico del

complejo

concentraciones

enzimático de

enzima,

desaparece como

las

a

altas

utilizadas

normalmente en el ámbito industrial, parece apropiado expresar la velocidad de reacción en función de la concentración de enzima. De forma análoga a la ecuación propuesta por Michaelis-Menten se puede calcular una velocidad máxima de hidrólisis a saturación (Vemax) y una

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Constante media de saturación (Ke):

Donde: VO: velocidad inicial de hidrólisis. Vemax: velocidad máxima de hidrólisis a saturación de

enzima. Ke: constante media de saturación. Eo: concentración inicial de enzima

a) Licuefacción 

Cinética de la α – amilasa:

Tabla Nº 3.5 Cinética de la reacción de la enzima α – amilasa

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OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO Fuente: obtención de glucosa a partir de almidón de maíz

Grafico Nº4.1 Concentración sustrato vs. Velocidad

Fuente: obtención de glucosa a partir de almidón de maíz

b) Sacarificación 

Cinética de la glucoamilasa Tabla Nº 3.6 Cinética de la reacción de la enzima glucoamilasa

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Grafico Nº4.2 Concentración sustrato vs. Velocidad reacción con glucoamilasa


c) Fermentación Para que la fermentación tenga lugar es necesario que los azucares fermentescibles presentes en el mosto entren en el interior del citoplasma celular de las levaduras, donde se localizan los sistemas enzimáticos que hacen posible la fermentación alcohólica. Para ello las levaduras incorporan hexosas (glucosa y fructuosa) a trave3z de un mecanismo de difusión facilitada, cuya denominación responde a que es necesaria la presencia de una proteína transportadora (permeasa) que facilita la difusión de estos azucares a través de las membranas celulares. La fricción de entrada de los azucares al interior de la célula es responsable del calor generado en el proceso fermentativo junto con la fricción de salida de los productos generados a través de las membranas celulares, de forma

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OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO que se va generando calor que es necesario controlar mediante sistemas de refrigeración. Básicamente el proceso fermentativo supone:

A Continuación Explicaremos Detalladamente Como Se Da Cada Unas De Estas Etapas:

FIG. Nº 3 PROCESO FERMENTATIVO

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Fuente: Tesis “Instalación de una planta industrial de alcohol motor por bioconversión de la caña de azúcar” UNPRG - 2005

Nótese que algunos de los átomos de carbono acaban en el CO 2, una forma más oxidada que la glucosa, mientras que otros aromos de carbono acaban en el alcohol, que está más reducido (es decir, tiene más hidrógenos y electrones por átomo de carbono) que la glucosa. La energía generada de esta fermentación (57 Kcal) no es liberada toda en forma de calor; parte de ella se conserva en forma de enlaces fosfato ricos en energía en el ATP, con una producción neta de dos enlaces. Una primera etapa es la glucolisis que es la degradación escalonada de la glucosa y puede ser dividida en dos partes principales. La primera parte es una serie de reacciones preparatorias que no implican oxido-reducción y que conducen a la producción del intermedio clave, el gliceraldehido-3-fosfato. En la segunda parte tiene lugar reacciones de oxidación-reducción, se produce energía originada

en el

enlace fosfato rico en energía en forma de ATP, y don liberados los productos de fermentación, el etanol y el CO 2.

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OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO Esta vía bioquímica se denomina a veces vía de Enbden – Meyerhof, de nombre de dos descubridores.

FIG. Nº 4

GLUCÓLISIS Fuente: Tesis “Instalación de una planta industrial de alcohol motor por bioconversión de la caña de azúcar” UNPRG - 2005

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FIG. N° 5 GLUCOLISIS

Fuente: Tesis “Instalación de una planta industrial de alcohol motor por bioconversión de la caña de azúcar” UNPRG - 2005

Inicialmente, la glucosa es fosforilada por el ATP, produciendo glucosa-6-fosfato. A menudo, previamente a la oxidación tienen lugar reacciones de fosforilación de este tipo. Cuando el ATP se convierte en ADP, se disipa energía porque el enlace orgánico del fosfato en la glucosa-6fosfato se encuentra a un nivel energético inferior al que estaba el enlace fosfato del ATP. (La energía utilizada en este paso será recuperada posteriormente en la secuencia de la reacción). La fosforilación inicial de la glucosa activa la molécula para posteriores reacciones. Una isomerización y otra fosforilación conducen a la producción de la fructuosa1,6-difosfato, que es un producto intermediario clave en el proceso de degradación. El enzima aldo0lasa cataliza ahora la escisión de la fructuosa-1,6-disfosfato en dos moléculas tricarbonadas, el gliceraldehido-3-fosfato y el fosfato de dehidroxiacetona. Nótese que todavía no ha

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OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO habido ninguna oxidación, puesto que todas las reacciones se han realizado sin ninguna transferencia electrónica, aunque se ha utilizado dos enlaces fosfato ricos en energía procedente del ATP. La primera reacción de oxidación se produce en la conversión del gliceraldehido-3-fosfato en acido 1,3difosfoglicerico. En esta reacción, el coenzima NAD acepta dos electrones y queda convertido en NADH1, mientras el fosfato inorgánico se convierten una forma orgánica. Al contrario que el enlace fosfato orgánico de los fosfatos de hexosa. El nuevo enlace fosfato del acido difosfoglicérido representa la síntesis de nuevos enlace fosfato ricos en energía. La energía energía que de otra manera se se habría liberado liberado como calor en esta oxidación es así conservada. Las reacciones posteriores mostradas conducen últimamente a la síntesis del acido piruvico y a la transferencia de la energía de los enlaces fosfato ricos en energía al ADP, formando ATP. Inicialmente se utilizan dos moléculas de ATP para fosforilar el azúcar, sintetizándose después cuatro moléculas (dos por cada fragmento tricarbonado), de tal modo que la ganancia neta es de dos moléculas de ATP por molécula oxidada de glucosa. El contenido energético de un enlace rico en energía del ATP es de unas 7 Kcal por mol, y durante la fermentación alcohólica de la glucosa se liberan 57 Kcal por mol de energía. Por tanto, aproximadamente el 25% de la energía liberada de la glucosa queda retenido en los enlaces ricos en energía del ATP, perdiéndose el resto en forma de calor.

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OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO En las anteriores reacciones el NAD ha sido reducido a NADH 2.la célula tiene solo una reserva limitada de NAD, y si todo se convierte en NADH 2, la oxidación de la glucosa debería detenerse, este obstáculo es superado por la oxidación del NADH 2 de nuevo a NAD por medio de reacciones que comprenden la conversión del acido piruvico en etanol y CO 2. El primer paso es la descarboxilación del acido piruvico a acetaldehído y CO 2; entonces hay una transferenci9a de electrones del NADH2 al acetaldehído, transferencia que conduce a la formación del etanol y NAD. El NADH2 que había sido producido anteriormente es de este modo oxidado otra vez a NAD

FIG. Nº 6 DESCARBOXILACIÓN DEL ÁCIDO PIRÚVICO A ACETALDEHÍD ACETALDEHÍDO O Y CO2

Fuente: Tesis “Instalación de una planta industrial de alcohol motor por bioconversión de la caña de azúcar”

UNPRG - 2005

En cualquier proceso productor de energía la oxidación debe equilibrar la reducción, y debe existir

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OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO un aceptor para cada electrón retirado. En el ejemplo anterior, la reducción del NAD es un paso enzimático esta acoplada con su oxidación en otro. Las productos finales CO2y etanol, también están en equilibrio de oxirreducción.

El resultado ultimo de esta serie de reacciones es la síntesis neta de dos enlace fosfato ricos en energía, dos moléculas de etanol y dos moléculas de CO2. Para la célula de levadura el producto crucial es el ATP, que es utilizado en una amplia variedad de reacciones que requieren energía, y el etanol y el CO2 son meros productos de desecho.

4.1.4 Transporte de masa y energía. 4.1.2.1 Transporte de masa: a) licuefacción CORRIENTE P-6 (Kg/hr) TOTAL : 40543,74

CORRIENTE P-9 (Kg/hr) TOTAL: 13.69

CORRIENTE P-10 (Kg/hr) TOTAL : 40562.0085

TOTAL DE ALIMENTACION DE ENTRADA

TOTAL DE FLUJO MASICO DE SALIDA

40557.42 Kg/hr

40557.42

Kg/hr

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OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO b) sacarificación


CORRIENTE P-14 (Kg/hr) TOTAL: 3.75


TOTAL DE ALIMENTACION DE ENTRADA

TOTAL DE FLUJO MASICO DE SALIDA

40561.18 Kg/hr

40561.18

Kg/hr

c) fermentación

4.1.2.1

CORRIENTE CORRIENTE P-15 (Kg/hr) P-17 (Kg/hr) TOTAL : TOTAL: 6222.9 40565.8 TOTAL DE ALIMENTACION DE ENTRADA

CORRIENTE CORRIENTE P-21 (Kg/hr) P-18 (Kg/hr) TOTAL : TOTAL : 5464.87 41323.83 TOTAL DE FLUJO MASICO DE SALIDA

46788.7 Kg/hr

46788.7 Kg/hr

Transporte de energia:

EQUIPOS

CALENTADOR (IC – 1)

CORRIENTES

FLUJO Kg/Hr.

TEMPERATURA ENTRA DA

SALID A

CALOR “Q”

KJ/Hr.

Agua

26152.63 73

25 ºC

88 ºC

+6890825.2 83

Vapor Saturado (60 psi)

3058.511 0

144.84 ºC

144.84 ºC 6890825.28 3

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REACTOR (R - 1) LICUEFACCIÓ N

CALENTAMIE NTO LICUEFACCIÓ N (P-7)

ENFRIAMIENT O LICUEFACCIÓ N (P-8)

ENFRIADOR ( IC – 2)

REACTOR (R - 2) SACARIFICACI ÓN

Almidón, glucosa, agua, residuos, dextrinas, ∞- amilasa

40562.01

88 ºC

88 ºC

+33858336 6.1


150281.1 2

150.51 ºC

150.51 ºC 338583366. 1

Almidón, glucosa, agua, residuos,

40562.01

88 ºC

107 ºC +2714328.5 85


1204.76

150.51 ºC

150.51 ºC 2714328.58 5


40562.01

107 ºC

88 ºC

271432858 5

Agua de enfriamiento

4326691 9.88

25 ºC

40 ºC

+27143285 85


40562.01

88 ºC

33 ºC

7858266.96


125246.3 5

25 ºC

40 ºC

+7858266.9 6


40565.80

33

33

+5.69x1013

2.52x1010

150.51 ºC

150.51 ºC

-5.69x1013

dextrinas, ∞

amilasa

dextrinas, ∞

amilasa

dextrinas, ∞

amilasa

dextrinas, ∞

amilasa, glucoamilasa, Vapor Saturado (70 psi)

22


REACTOR (R – 3) FERMENTACIÓ N

Etanol, levadura, amoniaco, agua, glucosa, almidón, dextrinas,

41323.83 31

31 ºC

33 ºC

42688224. 34

680458.5 1

25ºC

40ºC

+42688224 .34

45953.55 06

25 ºC

60 ºC

+4741634. 403

2104.586 9

144.84 ºC

144.84 ºC

4741634.4 03

45953.55 06

60 ºC

85 ºC

+4390402. 224


1948.691 6

144.84 ºC

144.84 ºC

4390402.2 24

Almidón, glucosa, agua, residuos, etanol

8549.914 5

90 ºC

90 ºC

11561455. 16


184291.8 196

25 ºC

40 ºC

+11561455 .16

residuos, ∞

amilasa, glucoamilasa Agua de enfriamiento


Etanol, levadura, amoniaco, agua, glucosa, almidón, dextrinas, residuos, ∞

amilasa, glucoamilasa Vapor Saturado (60 psi)


CONDENSADO R (C – 1)


amilasa, glucoamilasa

23


REVOILER (RV – 1)


REVOILER (RV – 2)

116 ºC

2226.689 2

144.84 ºC

144.84 ºC

501673G0. 738

37403.63 3

116 ºC

95 ºC

+4741634.4 03

amilasa, glucoamilasa



ENFRIADOR (IC – 5)

85 ºC

5016730.7 38

residuos, ∞


ENFRIADOR (IC – 4)

45953.55 06


43266919 .88

25 ºC

40 ºC

+ 4741634.40 3

37403.63 3

95 ºC

70 ºC

+3573543.0 97

40 ºC

+ 3573543.09 7

residuos, ∞


56962.96 45

Etanol, agua, glucosa, almidón, , residuos,

10528.07 10

80 ºC

106 ºC

+ 415412.414 3

184.3819

144.84 ºC

144.84 ºC

415412.414 3


25 ºC

24


4.2


4.2.1

SELECCIÓN DEL TIPO DE REACTOR: a) LICUEFACCIÓN – SACARIFICACIÓN El bioreactor a utilizar es un CSTR con agitación continua porque nuestro fluido presenta una viscosidad promedio de 15123 cp y el volumen a tratar es superior a los 1000 galones, requeriendo una agitación en el reactor cuya aplicación industrial es importante porque tiene la doble ventaja de ser un recipiente para la mezcla común en fase líquida. El funcionamiento de este bioreactor depende de muchos factores incluyendo:

La temperatura y presión adecuadas de operación del reactor son 32 ºC y 1 atm respectivamente, Su capacidad se calcula basándose en la alimentación y el tiempo de operación diaria. Por criterio de diseño se ha tomado la relación de diámetro a altura 1:2, dejando un 20% de espacio libre par la agitación y formación de espumas, las características son: Capacidad =53 m3 Altura = 15.1 pies Diámetro =12.6 pies

b) FERMENTACION El bioreactor es la parte principal del proceso bioquímico de obtención de etanol en el que se emplean levaduras para la manufactura económica de este producto biológico. La función principal del bioreactor diseñado en forma apropiada es la de proveer un medio controlado para alcanzar la obtención del alcohol carburante.

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OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO El bioreactor a utilizar es un CSTR con agitación continua porque nuestro fluido presenta una viscosidad promedio de 12054 cp y el volumen a tratar es superior a los 1000 galones, requeriendo una agitación en el reactor cuya aplicación industrial es importante porque tiene la doble ventaja de ser un recipiente para la mezcla común en fase líquida. El funcionamiento de este bioreactor depende de muchos factores incluyendo:



La concentración de biomasa, la cual debe permanecer alta.



Mantenimiento de condiciones estériles.



Agitación efectiva para la distribución de los sustratos y los microorganismos en el reactor sea uniforme.



Mejorar la transferencia de calor.

La temperatura y presión adecuadas de operación del reactor son

33 ºC y 1 atm respectivamente, condiciones

apropiadas para su desarrollo, lo que conlleva al mayor rendimiento en la producción de etanol. Su capacidad se calcula basándose en la alimentación y el tiempo de operación diaria. Por criterio de diseño se ha tomado la relación de diámetro a altura 1:2, dejando un 20% de espacio libre par la agitación y formación de espumas, las características son: Capacidad = 55 m3 (3356306 plg3.) Altura = 4.65m (183.0703 plg.) Diámetro = 3.88m (152.7554 plg.)

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4.2.2 DISEÑO DEL BIOREACTOR A) LICUEFACCION- SACARIFICACION a)

Determinación de la forma geométrica La forma geométrica de nuestro bioreactor es un tanque vertical cilíndrico con cabeza y fondo tipo semiesférico para que las líneas de flujo de deslicen axialmente desde el fondo del tanque confluyendo posteriormente en el centro y emergiendo hasta la parte superior del agitador por tener sólidos

que

pueden

sedimentarse

(la

cual

hemos

considerado su volumen para mejores resultados) por ser una licuefacción – sacarificación de materia amilácea

b)

Cálculo del volumen del reactor El volumen de nuestro reactor se calculo con respeto al caudal de alimentación, constante de reacción, velocidad de reacción, concentración y la densidad promedio de los componentes de entrada, considerando un 20% de vacio : 53m3.

c) Cálculo del diámetro óptimo de los acoplamientos

El diámetro óptimo de los acoplamientos es: 

Entrada de la solución al reactor (corriente P-6 y P-9),

con un 

diámetro de 3 ½ pulgadas.

Salida de los productos del reactor (corriente P-15), con

un diámetro de 3 pulgadas. 

Un acoplamiento para un termómetro de ¼ pulgadas de

diámetro.

27

OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO 

Un acoplamiento para un barómetro de ¼ pulgadas de

diámetro. 

Un manhole para limpieza con un diámetro de 20

pulgadas 

d)

Un visor con un diámetro de 8 pulgadas

Diseño del sistema de agitación Tipo, Dimensiones,

Velocidad.

Para el tipo del sistema de agitación se tomo referencia el volumen del bioreactor de 53 m3 o 14000 galones siendo este mayor a 1000 gln nuestro agitador será tipo turbina ancla Las dimensiones son D=5.67 pies El numero de impelentes es igual a uno, por que la relación entre la altura del tanque y el diámetro del mismo es 1.2, donde en la pagina 288 de Manuel de clase de plantas I observamos este dato. La velocidad de nuestra turbina , teniendo como referencia datos teóricos que debe ser 56rpm, pero depende la potencia que va a consumir.

e) cálculo de la potencia del motor del agitador La potencia del motor considerando una eficiencia del 70% es 60 HP.

28


f) cálculo del espesor del recipìente

El espesor del recipiente será el mismo que el de la tapa y del fondo, puesto que como se dijo anteriormente las reacciones en el fermentador (nuestro reactor) se llevan acabo a presiones muy bajas . El espesor del recipiente, de la tapa y del fondo será de ¼ de pulgada.

g)

selección del material de construcción El material seleccionado es el acero inoxidable 316 verificando en las tablas de materiales que son resistentes a la corrosión.

B) FERMENTACION a)

DETERMINACIÓN DE LA FORMA GEOMÉTRICA La forma geométrica de nuestro bioreactor es un tanque CSTR vertical cilíndrico con cabeza y fondo tipo semiesférico para que las líneas de flujo de deslicen axialmente desde el fondo del tanque confluyendo posteriormente en el centro y emergiendo hasta la parte superior del agitador por tener sólidos que pueden sedimentarse (la cual hemos considerado su volumen para mejores resultados) por ser una fermentación anaeróbica procedente de la glucosa formada por las secuencia de reacciones químicas que sigue el almidón del maíz.

29

OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO b)

CALCULO DEL VOLUMEN DEL REACTOR El volumen de nuestro reactor

se calculo con

respeto al caudal de alimentación, constante de reacción, concentración y la densidad promedio de los componentes de entrada, considerando un 20% de vació para las burbujas y gases (CO 2) que puede formarse teniendo como resultado 55 m3. c)

CALCULO

DEL

DIAMETRO

OPTIMO

DE

LOS

ACOPLAMIENTOS El diámetro óptimo de los acoplamientos es: 

Entrada de la solución al reactor (corriente P-15 y P-

17), con un 

diámetro

de 4 pulgadas.

Salida de los productos del reactor (corriente P-18), con

un diámetro de 2 pulgadas. 

Salida de los gases del reactor (corriente P-21), con un

diámetro de 2 pulgada. 

Un acoplamiento para un termómetro de 0.75 pulgadas

de diámetro. 

Un acoplamiento para un barómetro de 0.75 pulgadas

de diámetro. 

Un manhole para limpieza con un diámetro de 0.5 m.



Un visor con un diámetro de 0.25m.



Entrada de agua de enfriamiento para el serpentín de

0.75 pulgadas de diámetro.

d)

DISEÑO

DEL

SISTEMA

DE

AGITACIÓN:

Tipo,

dimensiones, velocidad. Para el tipo del sistema de agitación se tomo referencia el volumen del reactor 11359.4 gln siendo este mayor a 1000 gln nuestro agitador será tipo turbina con 6

30

OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO paletas para remover material fibroso (uso común 46paletas) curvas y con deflectores por que la viscosidad es 12054cp. Las dimensiones son Diámetro del impelente= 68.73995 plg. Considerando que la relación del diámetro del impelente al diámetro del agitador es de 1 a 3 (valores estándar). El numero de impelentes es igual a uno, según la página 288 (Libro Equipamiento de Procesos QuímicosStanley M. Walas) debido a tener viscosidad menos a 25000 Cp. y relación de altura del liquido sobre diámetro del reactor menos a 1.4. La velocidad de nuestra turbina es 45 RPM.

e) CALCULO DE

LA POTENCIA DEL MOTOR DEL

AGITADOR La potencia del motor considerando una eficiencia del 90% es 22 HP.

f) CALCULO DEL ESPESOR DEL RECIPIENTE El espesor del recipiente será el mismo que el de la tapa y del fondo, ya

que como se dijo anteriormente las

reacciones en el fermentador (nuestro reactor) se llevan acabo a presiones muy bajas . El espesor del recipiente, de la tapa y del fondo será de ¼ de pulgada.

g) SELECCIÓN DEL MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN.

31


El material seleccionado es el acero inoxidable 316, verificando en las tablas de Material del MANUAL DEL ING. QUÍMICO que son resistentes a la corrosión y fluido que operan en el proceso con Ph. Bajos, ya que este material en su composición presenta un 2% de molibdeno haciendo resistente a este tipo de fluidos.

4.2.3 DISEÑO GRAFICO. PLANOS DEL REACTOR (VISTAS: FRONTAL, SUPERIOR, LATERAL). CORTES.

4.2.3.1 LICUEFACCION Y SACARIFICACION:

32


33


34


35


4.2.3.2 FERMENTACION: PLANOS DEL FERMENTADOR:

36


37

OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO 4.2.4 HOJA DE ESPECIFICACIONES PARA CADA EQUIPO ESPECIFICACIONES DE DISEÑO REACTOR DE LICUEFACCION – SACARIFICACIÓN Planta Diseñistas : Etanol Anhidro : A/C/I/V/Z : 15 de junio del 2010 Fecha Tipo de Reactor : CSTR Nombre y detalle : Reactor R1 Operación : Contínua Función : Hidrolizar almidón en azúcares (glucosa) Unid.requeridas : 20 Reserva : 0 MATERIAL MANIPULADO Carga: Descarga:

Material de almidón en disolución acuosa y enzima Material con glucosa, agua y las enzimas amilasa

DATOS DE DISEÑO Capacidad, m3: Tiempo de reacción: 20 horas . 53 Temperatura de operación: 32°C. Presión de diseño: 20.771 psia Diámetro: Altura: 15.1 pies. 12.6 Pies ¼ ” NPS Espesor: Soldadura: Al traslape. semiesferico Posición: Tipo de tapa: Vertical Acero al Carbono 316 Material de construcción: Tipo de fondo: Semiesférico

SISTEMA DE AGITACION Tipo: turbina modelo ancla ancla Tipo de Impelente : N° de impelentes : 1 Ubicacion : 4 Pies 0 Numero de deflectores : Espesor del deflector : 0 Diametro : Velocidad : 56 rpm 5.67 pies Potencia : Electricidad : 440 V 60 HP Material de construcción : Acero AL carbono 316 Motor : electrico Eficiencia : 0.7

ACCESORIOS Manhole diametro :

20 pulgadas

38

OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO Visor : circular Tomamuestras : ¼ pulgada Termometro : ¼ pulgada Barometro: ¼ pulgada

Diametro :

8 pulgadas

ACOPLAMIENTOS DETALLES ESPECIFICACI N N 3 1/2 “ NPS Alimentación (material con almidón 1 ) 3” NPS Material con azucares (glucosa) 1

POSICI N Superior Inferior

39


ESPECIFICACIONES DE DISEÑO REACTOR FERMENTADOR Planta: Etanol a partir del Maíz Diseñistas: ACIVZ Fecha: 15 / 6 / 2010

Tipo de Reactor: CSTR con

agitación

Nombre y detalle: R-2 Operación: continua Función: Fermentación de los azúcares (glucosa a etanol) Unid. Requeridas: 20 Tiempo de Residencia: 1 hora por reactor. MATERIAL MANIPULADO Carga: Glucosa+ Agua + levadura = 46788.7 Kg/hr Descarga: Etanol+ CO2 + levadura + agua = 46788.7 Kg/hr. DATOS DE DISEÑO Capacidad, m3: 55 Tiempo de reacción: 16hr Temperatura de operación: 31- 33 °C Presión de diseño: 23.787 psia Diámetro: 3.88 m (152.7554 plg.) Altura: 4.65m (183.0703 plg) Espesor: ¼ pulg. Soldadura: 0.825 Posición: vertical Tipo de tapa: semiesférica Material de construcción: acero inoxidable 316 Tipo de fondo: semiesférico SISTEMA DE AGITACIÓN Tipo: Turbina 6 paletas curvas para material fibroso Diámetro: 68.73995 plg. Velocidad: 45 RPM Potencia: 22 HP Material de construcción: acero inoxidable 316 Eficiencia: 0.9 ACOPLAMIENTOS Detalles Entrada de corriente P15 y P-17 Salida de corriente P18 Salida de corriente P-

N

Especificación

Posición

1

D= 18.8 pulg.

Superior

1

D= 8.93pulg.

Inferior

1

D= 2 pulg.

Superior

40

OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO 21 (CO2)

APENDICE

41

OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO A.

DISEÑO DEL REACTOR DE LICUEFACCION –SACARIFICACION (R-1)

A.1. CONDICIONES DE OPERACIÓN Temperatura de Operación : 305.15 K Presión de Operación : 20.771 psia Tiempo de Residencia : 20 Horas A.2. CÁLCULO DEL VOLUMEN 

  

Para lo cual debemos de calcular la ley de velocidad para la hidrólisis del almidón Donde la reacción es Reacción de Almidon Dextrinas licuefacción Reacción de Dextrinas + Agua Glucosa sacarificación RX General: Almidon + Agua Glucosa Rx general

Hallando el volumen del reactor Donde: Fa : Flujo de material tratado Densidad del almidon  almidon : : Densidad del agua  agua 1.- Ley de velocidad de reacción -ra = K[Calmidon] [Cagua]

= 40543.74 Kg/hr = 1600 Kg/m 3 = 1000 Kg/m 3

2.- Estequiometria Elemento especie Inicio Almidon A F A0=53,84 kmol/h

Reacción Final Concentración -F A0X F A= F A0(1- C A= F A / V X) Agua B FB0=1576.71 kmol/h -F A0X FB= F A0+ CB= FB / V FB0 Glucosa C FC0=6.957 kmol/h +F A0X FB= F A0+ CC= FC / V FC0 Ahora para hallar K que es la constante de velocidad de reacción se hace uso de la ecuación de arrehnius

donde: k (T ): constante cinética (dependiente de la temperatura) A: factor preexponencial Ea: energía de activación R : constante universal de los gases

42

OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO T : temperatura absoluta [K]

Para ser usada como modelo de regresión lineal entre las variables K y T − 1 , esta ecuación puede ser reescrita como:

Constantes de hidrólisis a diferentes temperaturas En la Tabla 1 se muestran las constantes de hidrólisis de almidón (valor medio con su respectiva desviación estándar) determinadas para las distintas temperaturas de estudio, y la la variación de la constante de hidrólisis con la temperatura Tabla 1: Constantes de hidrólisis a diferentes temperaturas. Temperatura (Kelvin) Constante de hidrólisis (K) 285,15 0,0068 ± 0,0023 295,15

0,0291 ± 0,0063

303,15

0,0612 ± 0,0057

310,15

0,0904 ± 0,0097

318,15

0,0313 ± 0,0038

328,15

0,0415 ± 0,0063

0.1 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 280

290

300

310

320

330

340

Entonces aplicando el modelo de regresión lineal entre 285.15 – 310.15

43


lnk -4.99 -3.53 -2.79 -2.4

1/T 0.0035 0.0034 0.0033 0.0032

1/T 0 0.0031

0.0032

0.0033

0.0034

0.0035

0.0036

-1 -2 Valores Y -3 Linear (Valores Y) -4 y = -8510x + 25.081

-5 -6

Entonces -Ea /R = -8510 R = 8.324 J/mol.K Ea = 70837.24 J/mol.K Por lo tanto la K para 306.15°C es :

Y= 25.081 - 8510 (1/305.15) Donde K = 0.07 3.- calculando las concentraciones del almidón y agua Donde:  

 

    

      

44

OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO      

   



      

   

 

     

     

              



                

4.- Calculamos la velocidad de reacción -ra = K x Ca x Cb

por ser esta una reacción de 2° orden Entonces K = 0.070 m3/ kmol. H

-ra = 0.070 m3 /kmol.h ( 9.87 kmol/m3) ( 55.56 kmol/m3) -ra = 38.386 kmol/ m3.h

5.- Calculamos el volumen del reactor 



  

     

   

45

OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO V = 42.23 m3/0.8 = 53 m3 es el volumen del reactor

A.3. CALCULO DE LA ALTURA Y DIÁMETRO 

     

Además se sabe que la H = 1.2 D Y también necesitaremos debido al tiempo de reacción el uso de 20 reactores



      

 

     

D= 3.831 m ~ 151 pulgadas =12.6 pies H = 1.2 D = 1.2 x 12.6 pies = 15.1 pies Se calcula la altura del liquido usando el diámetro calculado y el volumen del liquido 

     

  

    

Donde HL= 3.647 = 12 pies

A.4. CÁLCULO DEL DIÁMETRO ÓPTIMO ACOPLAMIENTOS a) Ingreso del material tratado- enzima Flujo másico (m)

Densidad (  )

=

  



  



 

= 24.84 lb/s

= 1.17 x 62.4 = 73.008 lb/pie3

46

OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO μ = 17500 cp x 0.000672 lb/1cp.pie.seg = 11.76 lb/pie.seg









   

 

D = 3.0 Q 0.36 μ 0.18 por ser un flujo laminar D = 3.0 (0.34 pie3/seg)

0.36

(11.76 lb/pie.seg) 0.18

D= 3.11” se especifica 3 1/2 ” NPS

Se recomienda un diámetro de 3 ½ ” NPS por ser una sustancia pastosa

b) Salida de las materiales hidrolizado Flujo másico (m) Densidad (  )

=

  



  



 

= 24.84 lb/s

= 1.17 x 62.4 = 73.008 lb/pie3

μ = 12054 cp x 0.000672 lb/1cp.pie.seg = 8.1 lb/pie.seg



 

D = 3.0 Q 0.36 μ 0.18 D = 3.0 (0.34 pie3/seg)



   

0.36

 

(8.1 lb/pie.seg) 0.18

D= 2.96” se especifica 3 ” NPS

Se recomienda un diámetro de 3” NPS por ser una sustancia pastosa

A.5. DISEÑO DEL SISTEMA DE AGITACIÓN Para la selección del Sistema de agitación se tomó como referencia V= 53m 3   



   

   = 14000 gln

47

OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO Por ser mayor de 1000 galones nuestro agitador será tipo turbina modelo ancla sin deflectores por ser muy viscoso de la Fig 10.2 modelo (i)

Dimensión : D impelente = 0.45 x D total D impelente = 0.45 x 12.6 pies D impelente = 5.67 pies

Ancho de impelente = ω = D impelente /5 ω = 5.67 pies /5 ω = 1.134 pies

 Nº

de impelentes  



 

 

En la pag 228 del manual de plantas I (clase) nos indica que el numero de impelentes es =1

Altura del impelente H impelente = (Hl – 1.216)x0.75 H impelente = 1.82 m ~ 6 pies Altura desde el fondo hasta el impelente (b) b= Hl/3 = 12 pies /3 = 4 pies

A.6. CÁLCULO DE LA POTENCIA NECESARIA 

        

Donde : Np : numero de potencia N : velocidad rotacional r.p.s ρ : lb/pie3

gc : rph D impelente : pies  

    

48

OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO Nre : numero de reynolds N : velocidad rotacional r.p.h ρ : lb/pie3 μ : lb/pie. H

D impelente : pies 

N : velocidad rotacional rps Nq : numero de bombeo D : diámetro del impelente en pies

 

Asumimos N = 100 rpm  

   

Nre : numero de reynolds N : 100 rpm x 60 = 6000 rps ρ : 1.17 x 62.4 = 73.008 lb/pie3 μ m: 15123 cp x 2.42 = 29170.68 lb/pie. H D impelente : 5.67 pies   



       

Nre = 482.77 Según grafico 10.7 con Nre= 482.77 Dimp/D tanque = 0.45 Entonces Nq = 0.5

Calculo de Q : Q=vxA v= 0.45 pie/s Hallamos area: A= π x D tk2 / 4 A= π x 12.6 pies2 / 4 = 124.7 pie 2 Q = 0.45 pie/s x 124.7 pie 2 = 56.1 pie3 / seg Ahora N : 

 

N : velocidad rotacional rps Nq : numero de bombeo D : diámetro del impelente en pies    x 60 = 37 rps  2do tanteo Asumimos N = 37 rps  

    

49

OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO Nre : numero de reynolds N : 37 x 60 = 2220 rps ρ : 1.17 x 62.4 = 73.008 lb/pie3 μm : 15123 cp x 2.42 = 29170.68 lb/pie. H D impelente : 5.67 pies   


       



 

N : velocidad rotacional rps Nq : numero de bombeo D : diámetro del impelente en pies    x 60 = 50 rps  3do tanteo Asumimos N = 50 rpm  

   

Nre : numero de reynolds N : 50 x 60 = 3000 rps ρ : 1.17 x 62.4 = 73.008 lb/pie3 μm : 15123 cp x 2.42 = 29170.68 lb/pie. H D impelente : 5.67 pies   




       



 

N : velocidad rotacional rps Nq : numero de bombeo D : diámetro del impelente en pies    x 60 = 43 rps  4do tanteo Asumimos N = 43 rpm

50

OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO  

   





       



 

N : velocidad rotacional rps Nq : numero de bombeo D : diámetro del impelente en pies   x 60 = 45 rps   5do tanteo Asumimos N = 45 rpm  

   





       



 

N : velocidad rotacional rps Nq : numero de bombeo D : diámetro del impelente en pies   x 60 = 45.6 rps   Donde N nominal = 56 rpm

51

OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO Hallamos Reynolds real   

Nre = 270.4

       

Ahora según figura 10.6 curva 10 de la figura 10.5 en (c) Donde Np = 2.0 

        

Donde : Np : numero de potencia N : 56/60 = 0.933 r.p.s ρ : 1.17 x 62.4 = 73.008 lb/pie3 gc : 32.17 rph D impelente : 5.67 pies 

       

P = 40 HP CON LA EFICIENCIA DE n= 0.70

  

EL MOTOR ES 40/0.7 = 57.14 = 60 HP A.7. CÁLCULO DEL ESPESOR DE LA PARED DEL REACTOR

 

Donde:

   

 

e= espesor en pulg. P= presión interna del tanque en psia R= radio exterior del tanque, pulg. S= esfuerzo máximo del material de construcción E= eficiencia del las uniones; 0.85 C= tolerancia a la corrosión 1/16”        P interna = 1170.1 Kg/m3 ( 9.81N) ( 3.7 m) P interna = 41 859.17 N/m2 x ( 1 psia / 6894.7 N/m2 ) P interna = 6.071psia + 14.7 psia = 20.771 psia P interna = 20.771 psia (1.2)

52


P total = 24.925 psia R = 75.39 pulgadas S = 18700 E = 0.85  

       

 

e= 0.181 pulgadas ~ ¼ pulgada

Se especifica Acero Estándar 316 de ¼ pulgada de espesor

53

OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO B.

DISEÑO DEL FERMENTADOR

CÁLCULOS: Gr

e

R T



•



K

-r 1 = K • C A K = 0,145/s K = 5,23 x 10 2/seg Especie

Inicialmente

Reacciona

Final

Glucosa A

59,737 Kmal/a

53,763

5,974

Etanol B

O

107.527

107.527

CO2

O

107.527

107.527

5,974

V A



K mol kg x180 h K mol kg 1,54

C A

F A=



F A



V A

0,145 h

698,26

lt h

et

5.974 Kmol / h 698 .26 lt / h

Kmol

 8,556



m

3

=

Kmol 1000 lt 0.00855 x 3 lt 1m

= 1.2453

= 8,556

Kmol m

3

Kmol 3

m seg

VOLUMEN EN CSTR

54


Vcstr =

F AO ( X )

K mol x0,90 K K mol 1,2453 m3 . h

59,737 

 ra salida

Vcstr = 43, 1729 m 3



55 m3

CÁLCULO DE UNIDADES DE EQUIPOS 73,544 m3 h



54,43 m3

0,8

h

→ 43,544 =



4

2

x 3,88 x Hl → Hl = 3,683 m

1 reactor abastece nuestro flujo volumétrico. Pero por la sincronización del tiempo de fermentación, necesitamos 20 fermentadores donde en cada hora empezará el llenado de un reactor distinto siguiendo la secuencia. # reactores = 20 55

h 

4

2

xD x (1,2 D)

58,357 m3 = D3 3,88 m = D 4,65 = H

DIMENSIONES ESTANDARES: D = 0,45 x 3,88 = 1,746 m X = 3,88/11 = 0,353 m ei = 0,353/5 = 0,70 m H 3

n=

 1.123

d 2



0,873m

55

OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO ESPESOR DEL REACTOR e

P R •



S E  0,6 P



C

•

1064 ,8 Kg

P=SxGxH=

P0 =

m

38471 ,74 N

m

2

x

3

x 9,81 x 3,683

1 Pgia 6894 ,7 N / m 2



38471 ,74 N m

2

= 5,5799 Psia

PT = 5,5799 psia + 14,7 psia = 20,28 psia x 1.2 PT = 20, 28 x 1.2 = 24,336 R = 1,94 m



76,38 pulg

S = 18700 E = 0,825

e

(24,336 ) (76,38) (18,700 ) (0,85)

 0,6



(24,336 )

0,097 pu lg

e = 0,117 + 1/16’ = 0,1795 pulg

e

1' 

4

# impelentes = 1

a HL/3 ubiación 5

P 

N P x N 3 x Dimp x S gc

V= 0,45 57,27

 32.17

pie seg

→A=

2

piel seg

h 4

x (12,73)

2

 127 ,28

2

pie →

Q= 0,45 x 127,28 = Q =

pie 3 seg

Asumimos: N = 100 RPM

56

OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO (1,1 x 66,49) (100 x60) (5,73)

N RI



D

1,746



T

2

12054 p x 2,42



3,88



493,93

0,45

En figura 10,7 → NQ = 0,51 N 

57 ,27 x 60 0,51 x 5,73

 35,81

RPM

Tanteo 2 M = 0,27 2

N RE



(1,1 x 66,49) (35,81) (60) (5,73) 12054 x 2,42

NRE = 176,8



177

En figura 10,7 N 

NQ = 0,37

57 ,27 x 60 0,37 x (5,73)

3



49,36 RPM

Tanteo 3 2

N RE



(1,1 x 66,49) (49,36) (60) (5,73) 12054 x 2,42

NRE = 176,8



177

En figura 10,7 N 

= 243,8 = 244

NQ = 0,43

57 ,27 x 60 0,43 x (5,73)

3



42,48 RPM

Tanteo 4 2

N RE



(1,1 x 66,49) (42,48) (60) (5,73) 12054 x 2,42



210

NQ = 0,41 N 

57 ,27 x 60 0,41 x (5,73)

3



44,55 RPM

57

OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO Tanteo 5 2

N RE

(1,1 x 66,49) (44,55) (60) (5,73)





12054 x 2,42

220

NQ = 0,415 57,27 x 60

N 

0,415 x (5,73)

3



44,01 RPM

Ncalculado = 44,01

y Nnominal = 45 RPM 2

N RE

(1,1 x 66,49) (45) (60) (5,73)





12054 x 2,42

222

Según la figura 10,6 curva Nº 05 N p = 1,9 3

Po 

5

2 x (45/ 60) (5,73) (66,49) 32,17 x 550

= 19,58 Hp

P = 19.58/ 0.9 = 21.75 ≈ 22 HP

FLUJO LÁMINAR: MENOR QUE 4000 REYNOLS Acoplamientos: ENTRADA: 4056 Kg / h

Qentrada =

1064 .8 Kg / m

m3

= 38.09

3

h

*

35.314 pie3 1m3

Di = 3,0 x (0.374 pie 3/s) 0,36 x (8,1)0,18 = 3.1 plg 4 plg x

0.025 m 1 p lg

= 0,1m





*

1h 3600 seg

= 0.374

pie3

= 0.381

pie3

seg

4 plg

10 cm

Acoplamiento: SALIDA: Q salida =

41319 .16 Kg / h 1064 .8 Kg / m

3

= 38.8

m3 h

*

35.314 pie3 1m3

*

Di = 3,0 (0.381 pie/seg) 0,36 x (0,0834)0,18 = 1.35 pulg 2 plg x

0.025 m 1 p lg

= 0,05m



1h 3600 seg 

seg

2 plg

5 cm

Acoplamiento: SALIDA CO2 – H2O ρp =

1,87 kg m

3

x 0,95 

1000 kg m

3

x 0,02

58

OBTENCION DE ETANOL ANHIDRO A PARTIR DE MAIZ AMARILLO 789 kg m

3

ρp =

x 0,03

45,45 kg m

5465,5 45,45

3

kg

h kg

m

 120,25

m

3

3

h

x

35,314 pie 1m

3

x

1h 3600 seg

3

Q = 1,18 pie3/seg et = 0,9523 cp =0,779 cp  agua  CO2 = 0,01372 cp 

=0,01372 x 0,95 + 0,9523 x 0,03 + 0,779 x 0,02

 promedio

0,000672  promedio  p

= 0,16 cp x

lb pie seg

1cp

= 0,0000 12 lb/pie seg

Di = 3,0 x (19,1)0,36 x (0,000012)0,18 = 1,128 pulg



2 pulg → 5cm aprox.

59

CAP 4 DISEÑO DE REACTOR

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