Facultad de Ingeniera Qumica

e Industrias Alimentaras
Escuela Profesional de Ingeniera Qumica


PROYECTO DE TESIS

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

Asesor : Ing. Hernndez Or, Jos Enrique.



UNIVERSIDAD NACIONAL
PEDRO RUIZ GALLO

Simulacin y Anlisis del Sistema
de Destilacin de la Destilera
CHICLAYO S.A.C empleando el
Simulador de Procesos HYSYS

CAPITULO I

ANLISIS PRELIMINAR
1. SITUACIN PROBLEMTICA
1.1 Planteamiento del Problema
El problema principal que afecta a la destilera
CHICLAYO S.A.C es su deficiente sistema de
destilacin.

Actualmente es muy importante en la ingeniera
de procesos desarrollar una optimizacin de los
mismos.

La aparicin de simuladores de procesos facilita
el anlisis de las operaciones presentes en un
proceso.





1.2 Formulacin del Problema
Es posible analizar mediante una simulacin en
HYSYS la performance del sistema de destilacin
de la destilera CHICLAYO S.A.C ?

1.3 Justificacin e Importancia
Realizar una comparacin de los datos reales del
proceso con los resultados de la simulacin para
un posterior anlisis del mismo, lo cual puede
permitir predecir las variaciones en el sistema
frente a cambios operacionales.
1.4 Objetivos
Objetivo General
Analizar la performance del sistema de la
destilera CHICLAYO S.A.C utilizando el
simulador de procesos HYSYS.

Objetivos Especficos
Contrastar los resultados obtenidos en la
simulacin con los datos reales obtenidos en
la destilera.

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



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

Determinar las composiciones volumtricas del
destilado en cada plato de las columnas de
destilacin.


1.5 Hiptesis
El anlisis de la performance del sistema de
destilacin de la destilera CHICLAYO S.A.C se
puede llevar a cabo utilizando el simulador de
procesos HYSYS.
CAPITULO II

MARCO TEORICO





1.DISEO DE PROCESO
La actividad del diseo implica definir la
configuracin y estructura de un diagrama de
procesos qumicos, en base a determinados
conocimientos y restricciones.

2.SIMULACIN DE PROCESOS
La simulacin de procesos es definida como una
tcnica para evaluar en forma rpida un proceso
con base a una representacin del mismo,
mediante modelos matemticos.

Las etapas de la simulacin son:



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

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

Mtodo Modular Secuencial.
Mtodo Orientado a Ecuaciones.
Mtodo Modular Simultneo.





Entre las aplicaciones ms importantes de la
simulacin tenemos:

Prediccin de los efectos de cambio en las
condiciones de operacin y capacidad de la
planta.

Deteccin de cuellos de botella en la
produccin.

Evaluacin de alternativas de proceso para
reducir el consumo de energa.

Investigacin de la factibilidad para la
automatizacin de un proceso.










3.SIMULADORES DE PROCESOS
Existe una gran variedad de simuladores de procesos
comerciales, los cuales son poderosas herramientas
de clculo en procesos industriales, ya que cuentan
con propiedades termodinmicas y de transporte,
que son fundamentales para efectuar los balances de
materia y energa.

Los tipos de simuladores de procesos son:

Simuladores en Estado Estacionario.
Simuladores en Estado Dinmico.







Entre los simuladores comerciales mas conocidos
tenemos:







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






4. SIMULADOR HYSYS
HYSYS es un programa interactivo enfocado a la
ingeniera de procesos y la simulacin, que se puede
utilizar para solucionar toda clase de problemas
relacionados con procesos qumicos.

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






5. TERMODINMICA
El diseo y la simulacin de procesos qumicos
necesitan de datos de propiedades fsicas,
termodinmicas y de transporte y estos se calculan a
partir de modelos de propiedades con base terica o
emprica.

La eleccin del conjunto correcto de ecuaciones que
puedan representar las propiedades fsicas y
termodinmicas y el equilibrio de las fases se denota
como una etapa crtica para el xito o fracaso del
proyecto de simulacin.


Las propiedades termodinmicas de los fluidos
son empleadas esencialmente para el diseo de
equipos de proceso, particularmente con respecto
a requerimientos energticos, equilibrio de fases
y determinacin del tamao de los mismos.

Para esto se han desarrollado ecuaciones para el
clculo de los balances de energa (entalpa,
entropa, etc.) y para la determinacin de
volmenes.


5. PROCESO DE DESTILACIN

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

Cuadro 1: Condiciones de Operacin de las Columnas del Sistema



Temperatura C
Columna
Mostera
Columna
Depuradora
Columna
Rectificadora
Tope 94 78 78
Fondo 105 85 104
Presin (psig.)
Tope 1.5 0.1 0.1
Fondo 3 2 2.5

Cuadro 2: Especificaciones de las Columnas del Sistema










Cuadro 3 : Especificaciones de Condensadores en Columnas

Dimensiones
Columna
Mostera
Columna
Depuradora
Columna
Rectificadora
Forma Rectangular Cilndrica Cilndrica
Dimetro (cm) 95 90 90
Platos
Tipo Perforados Casquetes Casquetes
Nmero 22 29 66
Espaciado (cm) 30 15 17.5
C-1 C-2 C-3 C-4 C-5
Orientacin Vertical Vertical Vertical Vertical Vertical
Dimetro (cm) 75 45 75 90 45
Altura (m) 2.4 2.4 2.4 2.4 2.4
CAPITULO III

MARCO METODOLGICO
La informacin necesaria fue recopilada de la
destilera CHICLAYO S.A.C durante los meses de
Junio y Julio del 2007 en el turno de la maana.


ETAPAS DE LA SIMULACIN

Mezcla Etanol-Agua
Seleccin de
Componentes
NRTL, UNIQUAC, Van Laar
Peng Robinson, ASME Steam
Seleccin de Paquete
Termodinmico
Seleccin de Equipos
Eficiencia Globales de Platos
Prdidas de Calor = 0
Diseo del Proceso

Condiciones de Operacin
Especificaciones de Equipos
Ingreso de Datos

Mtodo de Clculo
Factor Damping
Iteraciones y Tolerancia
Opciones de Clculo

Visualizacin de Tablas y Grficas
Obtencin de Resultados
CAPITULO IV

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

Tabla 1: Resultados Modelo NRTL-PR



Mosto
Vapor a
Mostera
Vapor a
Rectificadora
Vinaza Flegmaza
Alcohol
Industrial
Alcohol
Rectificado
Vapor Fraction 0.0000 0.7000 0.700 0.0000 0.0161 0.0000 0.0000
Temperature C 70 120.9737 120.9737 104.9144 104.1332 26 26
Pressure psig 8 15 15 3 2.5 0.05 0.1
Molar Flow Kgmol/h 326.6962 72.1290 56.6728 368.0991 77.9512 0.5224 8.9253
Mass Flow Kg/h 6133.8845 1299.4113 1020.9660 6644.9436 1407.2118 21.7792 380.3266
Volume Flow L/h 6250 1302.0336 1023.0264 6664.0331 1411.2682 26.9881 472.7697
Vol Frac Ethanol 0.082 0.0000 0.0000 0.0042 0.0043 0.9455 0.958
Vol Frac Water 0.918 1.0000 1.0000 0.9958 0.9957 0.0545 0.042


Mosto
Vapor a
Mostera
Vapor a
Rectificadora
Vinaza Flegmaza
Alcohol
Industrial
Alcohol
Rectificado
Vapor Fraction 0.0000 0.7000 0.700 0.0000 0.0160 0.0000 0.0000
Temperature C 70 120.9747 120.9747 104.9060 103.7669 26 26
Pressure psig 8 15 15 3 2.5 0.05 0.1
Molar Flow Kgmol/h 326.6962 72.1290 56.6728 368.0880 78.0868 0.5218 8.8014
Mass Flow Kg/h 6133.8845 1299.4113 1020.9660 6644.6131 1412.8149 21.7752 375.0580
Volume Flow L/h 6250 1302.0336 1023.0264 6664.6475 1418.2021 26.9867 466.2228
Vol Frac Ethanol 0.082 0.0000 0.0000 0.0042 0.0088 0.9460 0.958
Vol Frac Water 0.918 1.0000 1.0000 0.9958 0.9912 0.0540 0.042
Tabla 2: Resultados Modelo UNIQUAC-PR


Mosto
Vapor a
Mostera
Vapor a
Rectificadora
Vinaza Flegmaza
Alcohol
Industrial
Alcohol
Rectificado
Vapor Fraction 0.0000 0.7000 0.700 0.0000 0.0159 0.0000 0.0000
Temperature C 70 120.9737 120.9737 104.9191 103.4986 26 26
Pressure psig 8 15 15 3 2.5 0.05 0.1
Molar Flow Kgmol/h 326.6962 72.1290 56.6728 368.0995 78.1420 0.5215 8.7350
Mass Flow Kg/h 6133.8845 1299.4113 1020.9660 6644.1417 1416.1294 21.7745 372.2154
Volume Flow L/h 6250 1302.0336 1023.0264 6662.8920 1422.4921 26.9877 462.6870
Vol Frac Ethanol 0.082 0.0000 0.0000 0.0040 0.0122 0.9463 0.958
Vol Frac Water 0.918 1.0000 1.0000 0.9960 0.9878 0.0537 0.042
Tabla 3: Resultados Modelo Van Laar-PR
Luego de determinar el consumo total de agua en
condensadores y el consumo de agua para la
produccin de vapor se obtuvo como resultado un
consumo total de:

Cuadro 4: Consumo de Agua en el Sistema



Si tomamos en cuenta que la capacidad de la bomba
en la destilera es de aproximadamente 8 L/seg.
entonces el resultado de la simulacin se encuentra
dentro de un valor aceptable.
Agua a Caldero Agua a Intercambiadores Agua Total
0.718 L/seg 6.919 L/seg 7.637 L/seg
CAPITULO V

ANLISIS DE LA SIMULACIN
1. ANLISIS DE PERFILES DE TEMPERATURA
EN COLUMNAS
Grfica 1: Temperaturas en Platos de la Columna Mostera


94
96
98
100
102
104
106
P-1 P-12 P-22
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a

C

f
NRTL-PR
UNIQUAC-PR
Van Laar - PR
Proceso







Cuadro 6: Residuo Cuadrtico Acumulado de Temperatura
Temperatura C
Plato P-1 P-12 P-22
Proceso Real 105 96 95
NRTL-PR 104.9144 96.1592 94.8089
UNIQUAC-PR 104.9060 96.1174 94.8047
Van Laar-PR 104.9191 96.0214 94.7768
Modelo Termodinmico
NRTL-PR UNIQUAC-PR Van Laar-PR

T

0.06919 0.06076 0.05684
Cuadro 5: Temperaturas en Platos de la Columna Mostera

Grfica 2: Temperaturas en Platos de la Columna Rectificadora


75
80
85
90
95
100
105
P-1 P-22 P-66
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a

C

h
NRTL-PR
UNIQUAC - PR
Van Laar - PR
Proceso







Cuadro 8: Residuo Cuadrtico Acumulado de Rectificadora
Temperatura C
Plato P-1 P-22 P-66
Proceso Real 104 82 78
NRTL-PR 104.1332 81.3864 78.2699
UNIQUAC-PR 103.7669 81.2825 78.2207
Van Laar-PR 103.4986 81.2442 78.2164
Modelo Termodinmico
NRTL-PR UNIQUAC-PR Van Laar-PR

T

0.46705 0.61780 0.86943
Cuadro 7: Temperaturas en Platos de la Columna Rectificadora
2. ANLISIS DE FLUJOS VOLUMTRICOS DE
ALCOHOL

Grfica 3: Flujo Volumtrico de Alcohol Industrial


26.80 26.86 26.91 26.97 27.02 27.08
Proceso
NRTL-PR
UNIQUAC-PR
Van Laar-PR
Proceso NRTL-PR UNIQUAC-PR Van Laar-PR
Alcohol Industrial (L/h) 27.0462 26.9881 26.9867 26.9877
f

Grfica 4: Flujo Volumtrico de Alcohol Rectificado
450 455 460 465 470 475
Proceso
NRTL-PR
UNIQUAC-PR
Van Laar-PR
Proceso NRTL-PR UNIQUAC-PR Van Laar-PR
Alcohol Rectificado (L/h) 473.0875 472.7697 466.2228 462.6870
f
3. ANLISIS DE LA EFICIENCIA GLOBAL DEL
SISTEMA

Grfica 5: Eficiencias Globales del Sistema de Destilacin


90 90.5 91 91.5 92 92.5 93 93.5 94
Proceso
NRTL
UNIQUAC
Van Laar
Proceso NRTL UNIQUAC Van Laar
Eficiencia Global 93.5042 93.3520 92.1325 91.4714
f
4. ANLISIS DE SENSIBILIDAD

Grfica 5: Anlisis de Sensibilidad 1



Grfica 6: Anlisis de Sensibilidad 2



Grfica 7: Anlisis de Sensibilidad 3



Grfica 8: Anlisis de Sensibilidad 4



Grfica 9: Anlisis de Sensibilidad 5



Grfica 10: Anlisis de Sensibilidad 6


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

Grfica 11: Simulacin del Sistema Propuesto








Cuadro 10: Comparacin de Efluentes
Produccin Real Propuesto
Alcohol Rectificado (L/h) 472.7697 501.8863
Composicin GL 95.8 96.29
Alcohol Industrial (L/h) 26.9881 28.0785
Composicin GL 94.55 94.52
Cuadro 9: Comparacin de Produccin de Alcohol
Efluentes Real Propuesto
Vinaza (L/h) 6664.0331 5314.6244
Composicin GL 0.42 0.05
Flegmaza (L/h) 1411.2682 2008.6380
Composicin GL 0.43 0.00
Se observa un aumento de 29 L en la produccin de
alcohol rectificado con una calidad de 96.3 GL.

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

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



Consumo Energtico Real Propuesto
Vapor a Mostera (Kg/h) 1299.4113 1568.1704
Vapor a Depuradora (Kg/h) - 100.0000
Vapor a Rectificadora (Kg/h) 1020.9660 1500.0000
Total 2320.3773 3168.1704
Cuadro 11: Comparacin de Requerimientos de Vapor
CAPITULO VI

CONCLUSIONES Y
RECOMENDACIONES
1. CONCLUSIONES
Los resultados que proporciona HYSYS al simular
el sistema de destilacin de la destilera
CHICLAYO S.A.C resultan satisfactorios puesto
que estos difieren del proceso real por un escaso
margen; a pesar de las deficiencias y limitaciones
del mismo (insuficientes puntos de muestreo de
temperatura, as como una incorrecta
determinacin del grado alcohlico en efluentes),
concluyendo de esta manera que es posible la
evaluacin de la performance del sistema
utilizando el simulador de procesos HYSYS.

Entre los modelos termodinmicos seleccionados
para la simulacin del sistema se determina que el
modelo NRTL-PR representa de forma ms
apropiada el comportamiento de la mezcla,
presentando desviaciones ms pequeas en
comparacin a los otros modelos.

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

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

2. RECOMENDACIONES
Implementar un sistema de control automtico en
las columnas de destilacin para lograr un trabajo
mucho ms efectivo de las mismas, con la
finalidad de mantener estables los parmetros
operacionales del sistema y as evitar prdidas en
la produccin.

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


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

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

Enfatizar la importancia que tiene hoy en da la
utilizacin de software o simuladores en el
campo de la ingeniera y fomentar la realizacin
de estudios empleando a la simulacin como
herramienta para analizar el comportamiento de
diferentes procesos.

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