R-TENSILE GROUPResearch and technological essay in selection and invention of material

SELECCIÓN DE LOS MATERIALES PARA EL DISEÑO DE UN FERMENTADOR, UNA TORRE DE DESTILACIÓN, UN INTERCAMBIADOR DE CALOR Y EL AISLANTE DE UN HORNO

A. SELECCIÓN DEL MATERIAL EMPLEADO PARA EL AISLANTE DE UN HORNO DE QUEMA DE BAGAZO

Durante la producción de bioetanol a partir de caña de azúcar se genera un residuo conformado principalmente por agua y el material celulósico proveniente de los tallos de la planta. Dicho desecho se conoce como bagazo y constituye una muy buena alternativa para la generación de vapor al utilizarlo como combustible, aumentando así la sustentabilidad del proceso.

El bagazo entra al horno con una humedad aproximada del 40%, en donde también se alimenta aire en un 25 % en exceso. Se conoce que las temperaturas alcanzadas en el equipo dependen de la humedad de entrada del residuo, por lo que se estiman en un rango de 930 °C a 975 °C. Además, por tratarse de una actividad de gran importancia para la planta, el horno se encuentra en operación durante todo el día, teniendo un tiempo de operación igual a 24 horas. Finalmente, el área que debe ser aislada tiene un valor de 40 m2.

Para llevar a cabo la selección del material empleado como aislante del equipo, es necesario tomar en cuenta las propiedades involucradas en la transferencia de calor, siendo la conductividad y la difusividad térmica las estudiadas para este caso. En función de esto, el módulo de desempeño que permite escoger un material para el fin deseado se define como el cociente de la raíz cuadrada de la difusividad y la conductividad térmica, es decir:

M=a

12

λ

donde: a= difusividad térmicaλ = conductividad térmica

Es importante resaltar que el módulo propuesto debe ser minimizado, por lo que se estudian los materiales que tengan una relación mínima entre las propiedades involucradas. De igual forma, existe una restricción importante para la temperatura de servicio que debe soportar el material, fijando esta en 1000 °C a partir del conocimiento del rango de operación.

Empleando el software CES® es posible generar un gráfico que permita relacionar estas propiedades y que además facilite la minimización del módulo, por lo que, tomando como materiales base aquellos que cumplan la temperatura de servicio señalada, se realiza la figura mostrada a continuación, señalando en color los materiales que presentan un módulo de optimización mínimo.

Figura N° 1. Conductividad térmica versus difusividad térmica

Inicialmente se llevó a cabo la selección empleando el nivel 1 y 2 del software utilizado para la generación del gráfico, con el fin de tener una idea general sobre los posibles materiales a ser seleccionados. Se observa en la figura N° 1 que los materiales que cumplen las restricciones impuestas, de módulo mínimo y temperatura de servicio superior a 1000 °C, son la espuma cerámica, el ladrillo, el vidrio de sílice, la cerámica vítrea, la zirconia y la piedra, cuyos módulos y propiedades térmicas se muestran en la tabla N° 1.

Tabla N° 1. Índice de desempeño M para diferentes materiales

Material Índice de desempeño M

Conductividad térmica (W/mK)

Difusividad térmica (m2/s)

Espuma cerámica 2,62x105 0,50 – 0,70 9,71x10-7 – 1.83x10-6

Ladrillo 8,48x105 0,46 – 0,73 3,03x10-7 – 5,17x10-7

Vidrio de sílice 2,24x106 1,40 – 1,50 8,91x10-7 – 9,86x10-7

Cerámica vítrea 3,54x106 1,33 – 2,51 6,51x10-7 – 1,36x10-6

Zirconia 8,72x106 2,00 – 4,20 6,64x10-7 – 1,40x10-6

Piedra 1,14x107 5,40 – 6,00 2,45x10-6 – 3,29x10-6

Debido a la naturaleza de la aplicación y a la manera en la que estarán dispuestos los aislantes en el equipo, la corrosión no juega un papel fundamental en su selección. Debido a esto las propiedades térmicas y los módulos de desempeño serán quienes definirán la elección final.

Cabe destacar, que en comparación a la espuma cerámica y al ladrillo, los otros materiales presentan una conductividad térmica elevada, lo que es contraproducente para la aplicación deseada. De igual forma, estos dos materiales son los que presentan un módulo de desempeño menor, por lo que puede decirse que serán los que pasarán a un criterio de selección más estricto. Se descarta por lo tanto el uso de piedra, zirconia, cerámica vítrea y vidrio de sílice.

Para la siguiente fase, es necesario considerar el costo, por lo que se propone un nuevo módulo de desempeño que tome en cuenta esta característica. Dicho módulo se deriva del anterior garantizando así una relación óptima entre las propiedades térmicas estudiadas y el costo del material, siendo este:

M '= a12

λ∗C

donde: a= difusividad térmicaλ = conductividad térmicaC = costo

Se procede entonces a generar una gráfica empleando el nivel 3 del software CES®, únicamente para los materiales pre-seleccionados en la fase anterior, con el fin de relacionar sus características mediante el módulo antes mostrado. El resultado se muestra en la figura N° 2.

Figura N° 2. Conductividad térmica versus difusividad térmica

El nivel 3 ofrece una gama mayor de opciones para los materiales pre-seleccionados. Pertenecientes a las espumas cerámicas, aquellas que ofrecen un menor índice son las de carbono y las de grafito, mientras que por parte de los ladrillos, lo hace únicamente el de baja densidad. En la tabla N° 2 se pueden observar las diferentes propiedades térmicas, módulos de desempeño y costo para estos materiales.

Tabla N° 2. Índice de desempeño M para diferentes materiales

Material Índice de desempeño M’

Conductividad térmica (W/mK)

Difusividad térmica (m2/s)

Costo($/kg)

Densidad(kg/m3)

Espuma de carbono 2,50x106 0,04 – 0,11 6,30x10-7 – 1,76x10-6 20,7 – 24,9 49 - 51Espuma de grafito 5,14x106 0,07 – 0,20 7,10x10-7 – 2,61x10-6 18,3 – 27,4 70 - 180Ladrillo baja densidad (0,75) 1,14x107 0,25 – 0,35 4,02x10-7 – 6,71x10-7 7,26 – 9,33 600 - 900Ladrillo baja densidad (0,80) 1,33x107 0,28 – 0,38 4,02x10-7 – 7,26x10-7 7,26 – 9,33 600 - 1000

Indagando un poco más sobre sus usos comunes, se encuentra que los materiales mostrados anteriormente son empleados como aislantes, lo que indica que se marcha en la dirección correcta para la selección adecuada.

Si bien la espuma de carbono presenta un módulo de desempeño y conductividad térmica menor en comparación a los demás materiales, su costo es mucho más elevado. Por el contrario, el ladrillo de baja densidad presenta un módulo mayor, pero su costo es considerablemente menor. En este punto, puede descartarse el uso de la espuma de grafito debido a que la de carbono presenta unas propiedades aislantes mejores, un módulo de desempeño menor y sus precios son muy similares, lo que no justificaría su uso. De igual forma, puede decidirse no tomar en cuenta el ladrillo de baja densidad 0,80, ya que tiene el mismo precio que el ladrillo 0,75 y sus propiedades aislantes no son mejores.

En cuanto a esto, como se muestra en la tabla N° 2, los dos materiales que deben ser sometidos a otro criterio son la espuma de carbono y el ladrillo de baja densidad 0,75. Para esto, se desea conocer el espesor de la capa aislante utilizando ambos materiales, empleando con este fin la siguiente expresión:

w=√2∗a∗ t

donde: w= espesor del materiala= difusividad térmicat = tiempo de intercambio de calor

De igual forma, a partir de la expresión anterior, el área a ser aislada, la densidad de cada material y su precio, se determinará el costo total que tendría utilizar cada material, empleando para ello la expresión:

Costo=w∗ A ∗ρ∗P donde: costo = inversión para el materialw = espesor del aislanteA= área a ser aisladaρ = densidad promedio del material

P = precio por peso del material

Procediendo entonces al cálculo se construye la siguiente tabla, en donde se muestran los datos y resultados involucrados en el cálculo del costo del material:

Tabla N° 3. Costo por material

Material Espesor(m)

Área(m2)

Densidad(kg/m3)

Precio($/kg)

Costo($)

Espuma de carbono 0,45 40 50 22,80 20.721,47Ladrillo baja densidad 0,75 0,30 750 8,30 75.815,16

Se observa que la inversión empleando ladrillo como aislante es muchísimo mayor que si se utiliza la espuma de carbono. Por lo tanto el material que debe ser utilizado para la aplicación es la espuma de carbono, considerando sus mejores propiedades aislantes (tabla N° 2), su menor módulo de desempeño y además el menor costo que implica su utilización, optimizando así todos los factores tomados en cuenta para la selección, resultando factible su uso.

Es importante considerar el diseño que debe tener el equipo para la utilización de este aislante, ya que no debe estar expuesto al aire libre. Es por esto que se recomienda recubrirlo con una virola metálica, reduciendo así su deterioro.

B. SELECCIÓN DE MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DEL REACTOR DE FERMENTACIÓN

En el reactor objeto de estudio del presente diseño los azúcares fermentables contenidos en el jugo de caña hidrolizado se transforman principalmente en etanol y dióxido de carbono bajo la acción de levaduras del género Saccharomyces cerevisiae, quienes actúan como biocatalizador.

Las reacciones correspondientes a la etapa de fermentación y sus respectivas conversiones, se muestran en la Tabla N° 4. Es importante señalar que la levadura empleada tiene mayor preferencia por la glucosa, lo que justifica una mayor conversión a etanol frente a la fructosa.

Tabla N° 4. Reacciones presentes en la etapa de fermentación

Reacción Ecuación Química X

GI Glucosa 2 Etanol + 2 CO2 0,9GII Glucosa + 2 H2O 2 Glicerol + O2 0,002GIII Glucosa + 2 CO2 2 Ácido succínico + O2 0,008GIV Glucosa 3 Ácido acético 0,022GV Glucosa 2 Ácido láctico 0,013FI Fructosa 2 Etanol + 2 CO2 0,67

En la Tabla N° 5 se muestran las sustancias y composiciones presentes en el caldo de fermentación obtenido como producto del reactor, las cuales se consideran para la evaluación de la potencial corrosión en el sistema. Cabe destacar que puede existir presencia de iones cloruro en el sistema debido a la presencia de sales inorgánicas contenidas en la caña de azúcar.

Tabla N° 5. Corriente de caldo fermentado

Componente % PesoAgua 85,89

Sacarosa 1,51Glucosa 0,64Fructosa 2,22Proteínas 0,10

Otros 0,55Ácido sulfúrico 1,50E-04

Etanol 6,35Glicerol 0,02

Ácido succínico 0,08Ácido acético 0,17Ácido láctico 0,10

Levadura 2,37TOTAL 100,00

El diseño se realiza considerando que existan fugas antes de ruptura de modo que la falla en el material pueda detectarse por una disminución en la presión de proceso manejada en el recipiente.

Para tal consideración se tiene que la máxima presión que puede soportar el recipiente en forma segura se logra con un material con el máximo valor de:

M 3=K1C

2

σ f

Donde: K1C: tenacidad a la fracturaσf: esfuerzo de cedencia

A continuación se desarrolla el protocolo establecido para llevar a cabo la selección de los materiales candidatos que permiten desarrollar la operación de fermentación en forma satisfactoria:

1. Propiedades mecánicasAl llevar a cabo la linealización del módulo M3 se obtiene una recta con pendiente ½ , para

la cual se cumple el criterio de fuga antes de ruptura, por lo tanto se seleccionan los materiales por encima de esta recta para los cuales se cumple la maximización del módulo deseado. Con tal finalidad se genera una gráfica que relaciona la tenacidad a la fractura versus el esfuerzo de cedencia utilizando el software CES® en su nivel 2, la cual se muestra en la Figura N° 3. Se considera la realización del diseño directamente con la familia de los metales ya que constituyen el conjunto de materiales que según sus propiedades mecánicas presentan el mejor desempeño para operaciones a altas presiones, ya que son capaces de resistir elevadas cargas presentando una tenacidad elevada antes de fracturarse, a diferencia por ejemplo, de las cerámicas que, si bien presentan un alto valor para el esfuerzo de cedencia, no poseen valores de tenacidad a la fractura elevados por lo que tienden a fracturarse con mayor facilidad, lo cual para la operación no es deseado.

Figura N° 3. Tenacidad a la fractura versus Esfuerzo de cedencia para metales

Se aprecia a partir de la Figura N° 3 que los posibles candidatos para llevar a cabo la construcción del recipiente son:

Tabla N° 6. Candidatos para la construcción del recipiente

Familia Índice de desempeño (M3)

Acero inoxidable 118,0Aleaciones níquel - cromo 115,0Superaleaciones de níquel 96,4Cobre 55,8Acero de baja aleación 34,6

2. Resistencia a la corrosiónSe considera a partir de la tabla de resistencia a la corrosión el desempeño de los materiales

candidatos seleccionados en la operación de fermentación considerando las sustancias potencialmente más agresivas que intervienen en el proceso bioquímico. La información obtenida se resume en la Tabla N° 7.

Tabla N° 7. Resistencia a la corrosión para precandidatos seleccionados

Sustancia

ServicioMaterial

Muy bueno Moderado Limitado Insatisfactori

o

Etan

ol

Acero al carbono   x    Fundición de acero   x    Acero inoxidable 304 x      Acero inoxidable 316 x      Acero inoxidable 347 x      

Agu

a

Acero al carbono x      Acero inoxidable 304 x      Acero inoxidable 316

x      

Durimet x      Duriron x      

Áci

do a

cétic

o di

luid

o Acero al carbono       xFundición de acero       xAcero inoxidable

304 x      

Acero inoxidable 316 x      

Acero inoxidable 347     x  

Áci

do lá

ctic

o

Acero al carbono       xFundición de acero       xAcero inoxidable

304     x  

Acero inoxidable 316     x  

Acero inoxidable 347 x      

Clo

ruro

de

pota

sio

Acero al carbono x      Acero inoxidable

304     x  Acero inoxidable

316     x  Ni-Resist Iron x      

Durimet x      Worthite x      

Áci

do su

lfúric

o di

luid

o

Acero al carbono       xAcero inoxidable

304     x  Worthite  x    

DURIRONi x      Hastelloy x      

A partir de la Tabla N° 7, se aprecia que para los candidatos seleccionados considerando la maximización del módulo M3 en la evaluación de las propiedades mecánicas, tanto el acero al carbono como distintos tipos de acero inoxidable presentan un servicio insatisfactorio – limitado para llevar a cabo la operación deseada principalmente debido a la presencia del ácido sulfúrico diluido que se usa en el reactor para acondicionamiento de pH entre 3,5 a 4,0. A su vez, entre los materiales que aportan un servicio excelente en presencia de dicho ácido diluido se encuentran el Worthite, el DURIRONi y el Hastelloy, materiales para los cuales la composición en níquel empieza a ser importante, razón por la que se limitará el estudio para la familia de aleaciones níquel-cromo pre-seleccionada por cumplir con la maximización del módulo M3.

3. Análisis de costos

A fin de discernir entre los posibles candidatos restantes se lleva a cabo un análisis de costo mediante la Figura N° 4 generada con CES® en nivel 3, en la cual se maximiza el módulo M3 pero esta vez incluyendo el costo relativo del material. Con tal finalidad se grafica la tenacidad a la fractura versus el producto del costo relativo del material por el esfuerzo de cedencia. Al llevar a cabo la linealización del módulo M3 incluyendo el costo se obtiene una recta con pendiente 1, para la cual se cumple la maximización de tal módulo, por lo tanto se seleccionan 5 materiales por encima de tal recta.

Figura N° 4. Tenacidad a la fractura versus Esfuerzo de cedencia x Costo relativo para Aleaciones de níquel – cromo

Se tiene a partir de la Figura N° 4 que las aleaciones de níquel – cromo que pueden ser potenciales candidatas son:

Tabla N° 8. Aleaciones níquel-cromo

Tipo de aleación Nombre ComercialÍndice de

desempeño (M3)

Aleación Ni-Cr INCONEL 706, forjada, tratada en solución 0,0761Aleación Ni-Cr-Fe NICHROME, recocida (aleación de resistencia) 0,0755Aleación Ni-Cr INCONEL 706, forjada, recocida 0,0743Aleación Ni-Cr INCONEL 754, forjada, recocida 0,0738Aleación Ni-Cr-Fe Aleación 610 como fundición 0,0705

4. Selección preliminar del materialSe obtiene entonces que el INCONEL 706, aleación de níquel – cromo, forjada y tratada en

solución presenta un máximo en el índice de desempeño M3, considerando la minimización de costos con un precio promedio que oscila en un rango entre 21,6 y 23,7 US $/kg. A partir de la descripción del material se tiene que el mismo presenta un uso extendido en la construcción de equipos para procesos químicos con un desempeño excelente ante la operación con ácidos débiles y

iones. De esta forma el INCONEL 706 constituye un material apto ante la presencia de ácido sulfúrico diluido en el reactor y los demás ácidos al igual que para los potenciales iones cloruro presentes en la mezcla de reacción.

5. Cálculo del espesor A pesar de que el INCONEL 706 constituye el material de construcción preseleccionado, se

llevará a cabo la determinación del espesor del recipiente con los 5 candidatos obtenidos, esto a fin de descartar el uso de un exceso de material, lo que implicaría un sobrecosto del recipiente debido a un valor para el esfuerzo de cedencia bajo.

Suponiendo que se lleva a cabo el diseño de un reactor cilíndrico capaz de resistir una presión máxima de operación de 100 MPa y que posee un diámetro de 6 metros se tiene que el espesor viene dado por la expresión:

t=PMAX∗ R

2∗σ f

Donde:PMAX: presión máxima de operaciónR: radio del recipienteσf: esfuerzo de cedencia

Se procede a determinar el esfuerzo de cedencia para los candidatos obtenidos a partir de la Figura N° 5, en la cual se muestra la relación que presenta dicha propiedad en función de las aleaciones de níquel – cromo para las cuales se realiza el estudio presente.

Figura N° 5 Esfuerzo de cedencia versus Aleaciones de níquel – cromo candidatas

El esfuerzo de cedencia correspondiente a cada una de las aleaciones de níquel - cromo al igual que el espesor del recipiente suponiendo que se emplea dicho material para llevar a cabo su construcción se muestra en la Tabla N° 9. Los materiales se muestran en orden decreciente de módulo de desempeño M3.

Tabla N° 9. Espesor del recipiente usando como material de construcción candidatos obtenidos

Nombre Comercial Esfuerzo de cedencia (GPa)

Espesor del recipiente (mm)

INCONEL 706, forjada, tratada en solución 78,0 1,92NICHROME, recocida (aleación de resistencia) 72,0 2,08INCONEL 706, forjada, recocida 80,0 1,88INCONEL 754, forjada, recocida 56,0 2,68Aleación 610 como fundición 62,5 2,40

Se aprecia que la construcción del reactor a partir del INCONEL 706, forjado y recocido proporciona el menor espesor del recipiente, sin embargo, su costo promedio es similar al del material preseleccionado, INCONEL 706, forjado y tratado en solución, el cual proporciona el mayor índice de desempeño y para el cual se requiere un espesor apenas mayor, razón por la que tal opción constituirá el material definitivo seleccionado para llevar a cabo la construcción del reactor de fermentación.

Cabe destacar que el material seleccionado garantiza una seguridad excelente para llevar a cabo la operación, sin embargo, debido a su alto costo podría considerarse el uso de otro tipo de material, como por ejemplo un acero inoxidable que, a diferencia del Inconel, presenta un servicio moderado ante la operación con ácido diluido, considerando en tal caso una vida útil no muy prolongada en la operación del reactor. En este caso deberá llevarse a cabo un estudio de rentabilidad a fin de estimar que opción representa un mejor balance económico durante el desarrollo del proceso productivo.

C. SELECCIÓN DE MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR

La unidad de fermentación constituye el corazón del proceso de productivo de bioetanol a partir de la caña de azúcar, se encuentra conformada por tres fermentadores con un volumen individual de 700m3 con operación similar a la de un reactor continuo de tipo tanque agitado permanentemente. Se procesa una solución azucarada a 32ºC proveniente de la etapa de hidrólisis, en la que se regula con ácido sulfúrico su pH a 4,5. En el interior del tanque se produce la conversión de los azúcares a etanol y dióxido de carbono, resultando una solución alcohólica diluida con una elevada proporción de dióxido de carbono solubilizado. El manejo de levaduras en el fermentador impone una restricción respecto a la temperatura máxima operable, para la cepa de levadura considerada la temperatura óptima de actividad se encuentra en el rango 30ºC – 35ºC, razón por la que la operación se lleva a cabo isotérmicamente y a presión atmosférica.

La naturaleza exotérmica de la fermentación establece la necesidad de disponer de un servicio de enfriamiento con agua a 15ºC en cada fermentador, a fin de asegurar el mantenimiento de la temperatura para el desempeño óptimo de las levaduras y por lo tanto del rendimiento deseado en conversión a etanol. Como primera opción de diseño se tiene incorporar a los fermentadores un sistema de serpentines de enfriamiento en contacto directo con el medio de reacción. Se desea seleccionar el material con el que deben construirse los tubos de este intercambiador de calor,

considerando las restricciones antes descritas además de que la caída de presión permisible para el sistema térmico es de máximo 10psi.

La selección del material se fundamenta en un objetivo de diseño que busca maximizar la transferencia de calor por unidad de área, y que se define mediante una función de maximización de las propiedades conductividad térmica y esfuerzo de cedencia del material, denominada módulo de desempeño M1.

M 1=λ∗σ f

donde: λ = conductividad térmicaσf: esfuerzo de cedencia

A continuación se desarrolla el protocolo establecido para llevar a cabo la selección de los materiales candidatos que permiten desarrollar la operación de intercambio de calor de manera óptima en la unidad de fermentación:

1. Propiedades mecánicas y físicas

Al llevar a cabo la linealización del módulo M1 se obtiene una recta con pendiente -1, para la cual se cumple el criterio de maximización de la transferencia de calor por unidad de área, por lo tanto se seleccionan los materiales por encima de esta recta, que en otras palabras serán aquellos para los cuales se cumple la maximización del módulo deseado. Con tal finalidad se genera una gráfica que relaciona el esfuerzo de cedencia versus la conductividad térmica utilizando el software CES® en su nivel 1, la cual se muestra en la Figura N°6. Cabe destacar que para la generación de esta figura se consideraron en los filtros de selección únicamente a los materiales que son buenos conductores, que poseen una temperatura de servicio superior a 32ºC y que no son frágiles, definido este ultimo al obviar en la selección a los materiales cerámicos.

Figura N° 6. Esfuerzo de cedencia versus conductividad térmica para materiales candidatos

Se aprecia a partir de la Figura N°6 que los posibles candidatos para llevar a cabo la construcción de los tubos, considerando únicamente la maximización del módulo M1, son:

Tabla N° 10. Candidatos para la construcción de los tubos

Familia Índice de desempeño (M3)

Aleaciones de tungsteno 7,72.104

Acero de alto carbono 3,39.104

Acero de baja aleación 3,35.104

Aleaciones de cobre 3,06.104

Aleaciones de zinc 2,20.104

Aleaciones de níquel 2,17.104

Aleaciones de aluminio 1,64.104

A fin de delimitar aún más la lista preliminar de familias de materiales candidatos se consideraron adicionalmente dos propiedades de importancia, el modulo de elasticidad y la dureza de Vickers, para ello se generaron las Figuras Nº7 y Nº8 respectivamente. Para el diseño de un sistema de enfriamiento en serpentín se requiere, dado a su geometría, un material que sea poco propenso a experimentar deformación durante su servicio, se consideran por lo tanto los materiales con el mayor módulo de Young. Además se requiere un material con una dureza moderada-elevada a fin de prevenir el desgaste en su superficie debido a la erosión que genera un flujo turbulento de agua, especialmente en las zonas de curvatura. Se descartan en este filtro las aleaciones de aluminio, las aleaciones de zinc y las aleaciones de cobre.

Figura Nº 7. Modulo de Young para materiales candidatos

Figura Nº 8. Dureza – Vickers para materiales candidatos

2. Resistencia a la corrosión

Bajo la consideración de diseñó inicial el serpentín se encontrará en contacto directo con la mezcla reactiva que se mantiene en el fermentador, por lo cual el ambiente corrosivo al que se encontrará sometido el material, que es descrito con detalle en estudios anteriores, se resume en la Tabla Nº 11, además se reporta el desempeño ante la corrosión que ofrecen los materiales candidatos en cada ambiente característico.

Tabla N° 11. Desempeño de materiales candidatos en ambientes corrosivos

Sustancia ServicioMaterial

Muy bueno Moderado Limitado Insatisfactorio

Etan

ol

Acero al carbono xFundición de acero xNi-Resist Iron xWorthite xDURIRONi x

Agu

a

Acero al carbono xDurimet xDuriron xMonel xNíquel x

Áci

do a

cétic

o di

luid

o

Acero al carbono xFundición de acero xNi-Resist Iron xDurimet xWorthite x

Áci

do lá

ctic

o Acero al carbono xFundición de acero xDurimet xWorthite xDURIRONi x

Clo

ruro

de

pota

sio Acero al carbono x

Fundición de acero - - - -Ni-Resist Iron xDurimet xWorthite xMonel x

Áci

do su

lfúric

o di

luid

o

Acero al carbono xFundición de acero xWorthite xDURIRONi xHastelloy x

A partir de la Tabla N° 11, se aprecia que para los candidatos seleccionados considerando la maximización del módulo M1 y los filtros “Módulo de Young – Dureza”, tanto el acero al carbono como las fundiciones de acero presentan un servicio insatisfactorio en ambientes diluidos de ácidos débiles y fuertes; caso contrario a las aleaciones de Níquel las cuales en general presentan un desempeño muy bueno en estos ambientes, particularmente las aleaciones Worthite, DURIRONi y Hastelloy, de esta manera el estudio y selección de materiales se limitará desde ahora a Aleaciones de Níquel.

3. Estudio de las Aleaciones de Níquel

En la Figura Nº 9 se muestra nuevamente la gráfica que relaciona el esfuerzo de cedencia versus la conductividad térmica, pero limitada únicamente a la familia del níquel y sus aleaciones. De igual manera se representa mediante una recta con pendiente -1 el módulo M1 y se delimita con ella seis aleaciones comerciales de níquel que maximizan la transferencia de calor por unidad de área; las propiedades esfuerzo de cedencia y conductividad térmica así como el modulo M1 se resumen en la Tabla Nº 12.

Figura N° 9. Esfuerzo de cedencia versus conductividad térmica para aleaciones de níquel

Tabla N° 12. Aleaciones de níquelTipo de aleación Nombre comercial λ (W/m.K) σf (MPa) Índice de

desempeño M1

- NÍQUEL 200, pureza comercial, templado 67 - 73 720 - 935 5,74.104

Aleación Ni-C-Cu-Fe

PERMANICKEL 300, recocido y envejecido 52 - 63 865 - 1070 5,51.104

- NÍQUEL 200, pureza comercial, templado, duro 67 - 73 480 - 795 4,32.104

Aleación Ni-Be

BRUSH 360, aleación 440, duro

30 - 33,5 1030 - 1590 4,06.104

Aleación Ni-Be ALEACIÓN CR-1, recocido 28 - 34 1110 - 1400 3,85.104

Aleación Ni-Fe-Mn

ALEACIÓN 2A, aleación de níquel magnético, laminado

en frio30 - 45 825 - 1020 3,78.104

Se evidencia que tanto el NÍQUEL 200 de pureza comercial (templado) como la aleación PERMANICKEL 300 poseen un módulo M1 por lo menos 20% superior a sus candidatos más cercanos, por lo que, una vez verificada su resistencia a la corrosión, se postulan como los materiales candidatos a la selección final. El siguiente filtro considerado es el costo relativo del material, en la Figura N° 10 se muestran mediante barras el rango de costo para este par de materiales.

Figura N°10. Costo relativo de los materiales NÍQUEL 200 de pureza comercial y PERMANICKEL 300

El rango del costo resulta bastante próximo entre ambos materiales, sin embargo es el NÍQUEL 200 el más económico además de que posee la mayor conductividad térmica, por lo que resultaría entonces este material el seleccionado para la construcción de los serpentines del servicio de enfriamiento según el protocolo considerado. Debe destacarse que al indagar acerca de las aplicaciones de este material no se reporta su uso en operaciones de intercambio de calor, esto resulta alarmante ya que a pesar de que maximiza el módulo M1 y tiene un desempeño muy bueno en el ambiente fisicoquímico descrito no es un candidato empleado para operaciones de intercambio de calor debido a su conductividad. Se considerará en la siguiente sección un cambio en el diseño del servicio de enfriamiento, que consiste en disponer el sistema de serpentines mediante una chaqueta externa al fermentador de manera que el material no esté en contacto directo con la solución corrosiva.

4. Cambio en el diseño del sistema de enfriamiento

Al disponer de una chaqueta con agua de enfriamiento sobre la superficie exterior del fermentador debe considerarse en la selección del material la posibilidad de establecer una celda galvánica en la interfase chaqueta-tanque. Para la prevención de este tipo de corrosión se debe seleccionar un material con un potencial de reducción muy próximo al material con el que se especificó la construcción del fermentador, en este caso INCONEL 706. Al verificar materiales próximos al Inconel en la serie galvánica se tiene que los candidatos son las aleaciones basadas en níquel-cobre, como por ejemplo el Monel.

En la Figura N° 11 se muestra la gráfica esfuerzo de cedencia versus conductividad térmica para aleaciones de níquel y cobre. De igual manera se representa mediante una recta con pendiente -1 el módulo M1 y se delimita con ella cinco aleaciones comerciales que maximizan la transferencia de calor por unidad de área, las cuales se muestran junto a su modulo en la Tabla N° 13.

Figura N° 11. Esfuerzo de cedencia versus conductividad térmica para aleaciones de níquel-cobre

Tabla N° 13. Aleaciones de níquel-cobreNombre comercial λ (W/m.K) Índice de desempeño M1

MONEL 400, temperado 20 - 23,5 2,18.104

MONEL 400, duro 20 - 23,5 1,62.104

ALEACIÓN M-25S, endurecida 18,5 - 20,5 1,41.104

ALEACIÓN M-25S, fundición 18,5 - 20,5 1,37.104

MONEL K-500, endurecido 16 - 19 1,33.104

Al indagar las aplicaciones de las aleaciones MONEL 400 se tiene que presentan un uso extendido como material de construcción de tubos en intercambiadores de calor de tubo y coraza. Sin embargo debe destacarse que al comparar los valores de conductividad e índice de desempeño con los de las aleaciones de níquel consideradas anteriormente, las aleaciones de níquel-cobre no resultan competitivas ya que su conductividad térmica es menor en al menos un 60%. Se selecciona entonces para la construcción de los serpentines de enfriamiento en el fermentador, el material NÍQUEL 200 de pureza comercial (templado).

5. Cálculo del espesor de los tubos

Finalmente, se calcula el espesor de los tubos requerido para operar de manera segura con una caída de presión máxima de 10psi en tubos disponibles de NÍQUEL 200 con diámetro interno de 1,5 pulgadas.

t=∆ PMAX∗R

σ f

Donde:t: espesorΔPMAX: caída de presión máxima R: radio de tubería σf: esfuerzo de cedencia

Tomando como esfuerzo de cedencia del NÍQUEL 200 el valor mínimo reportado en la Tabla N°12, el espesor mínimo requerido para los tubos resulta 0,002 mm, lo cual confirma la elevada resistencia mecánica que presenta el material seleccionado.

Como comentario final se destaca que la selección llevada a cabo estuvo condicionada por las condiciones corrosivas del medio, no pudiéndose seleccionar un material que ofrezca una excelente conductividad térmica a pesar de evaluarse un cambio en el diseño del sistema de enfriamiento.

D. SELECCIÓN DE MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE TORRE DE RECTIFICACIÓN

En la torre de destilación objeto de estudio tiene lugar la separación y enriquecimiento de una mezcla alcohólica etanol – agua hasta una composición cercana a la azeotrópica de 94,2% p/p en el alcohol. Como producto de fondo se obtiene una corriente rica en agua con apenas trazas del alcohol mientras que como producto de tope se obtiene la mezcla alcohólica cercana al punto azeotrópico que posteriormente pasará por un proceso de adsorción mediante tamices moleculares a fin de obtener etanol anhidro 99,5%, producto principal del proceso productivo.

Nuevamente el diseño se realiza considerando que existan fugas antes de ruptura de modo que en caso de existir fallas en el material, la misma puede detectarse por una disminución en la presión de proceso manejada en la torre.

Para tal consideración se tiene que la máxima presión que puede soportar el recipiente en forma segura se logra con un material con el máximo valor de:

M 3=K1C

2

σ f

Donde: K1C: tenacidad a la fracturaσf: esfuerzo de cedencia

A continuación se desarrolla el protocolo establecido para llevar a cabo la selección de los materiales candidatos que permiten desarrollar la operación de separación en forma satisfactoria:

1. Propiedades mecánicas

De diseños preliminares realizados se encontró que debido a que la torre de destilación se encuentra constantemente sometida a esfuerzos de tensión, la estructura debe presentar una ductilidad relativamente buena, lo que se traduce en Módulos de Young no muy elevados pero tampoco muy bajos, encontrándose entre los límites de 120 GPa a 220 GPa. A su vez, es necesario que presente un límite elástico superior a 800 MPa a fin de evitar deformaciones en el equipo, lo que se traduciría en una inestabilidad para la estructura.

Considerando tales restricciones se genera la gráfica que relaciona la tenacidad a la fractura versus el esfuerzo de cedencia utilizando el software CES® en su nivel 2, mostrada en la Figura N° 12, en donde se lleva a cabo la maximización del módulo M3 al trazar una recta con pendiente ½, para la cual se cumple el criterio de fuga antes de ruptura sobre el que se realiza el presente diseño.

Figura N° 12. Tenacidad a la fractura versus Esfuerzo de cedencia para metales

Se aprecia a partir de la Figura N° 12 que los posibles candidatos para llevar a cabo la construcción del recipiente de la torre son:

Tabla N° 14. Candidatos para la construcción de la torre de destilación

Familia Índice de desempeño (M3)

Acero inoxidable 118,0Aleaciones níquel - cromo 115,0Superaleaciones de níquel 96,4Cobre 55,8Acero de baja aleación 34,6

2. Resistencia a la corrosión

Se considera a partir de la tabla de resistencia a la corrosión el desempeño de los materiales candidatos seleccionados en la operación de destilación considerando el potencial corrosivo del sistema binario etanol – agua presente en el proceso. La información obtenida se resume en la Tabla N° 15.

Tabla N° 15. Resistencia a la corrosión para precandidatos seleccionados

Sustancia Material - Servicio Muy

bueno Moderado Limitado Insatisfactorio

Etan

ol

Acero al carbono   x    Fundición de acero   x    Acero inoxidable 304 x      Acero inoxidable 316 x      Acero inoxidable 347 x      

Agu

a

Acero al carbono x      Acero inoxidable 304 x      Acero inoxidable 316 x      Durimet x      Duriron x      

A partir de la Tabla N° 15 se aprecia que para los candidatos seleccionados considerando la maximización del módulo M3 en la evaluación de las propiedades mecánicas, principalmente distintos tipos aceros inoxidables como el acero inoxidable 304, 316 y el Durimet, (aleación austenítica de acero inoxidable que contiene níquel, cromo, molibdeno y cobre), al igual que la aleación de níquel – cromo conocida como Duriron presentan un servicio excelente para llevar a cabo la operación deseada.

3. Análisis de costos

Nuevamente, con el objeto de discernir entre los posibles candidatos restantes se lleva a cabo un análisis de costos incluyendo únicamente la familia de los aceros inoxidables y las aleaciones de níquel - cromo mediante la Figura N° 13 generada con CES® en nivel 3, en la cual se maximiza el módulo M3 considerando el costo relativo del material. Con tal finalidad se grafica la tenacidad a la fractura versus el producto del costo relativo del material por el esfuerzo de cedencia. La linealización del módulo M3 incluyendo el costo arroja una recta con pendiente 1, para la cual se cumple la maximización de tal módulo, por lo que se seleccionan 5 materiales por encima de tal recta.

Figura N° 13. Tenacidad a la fractura versus Esfuerzo de cedencia x Costo relativo para Aceros inoxidables y aleaciones de níquel – cromo

Se tiene a partir de la Figura N° 13 que los aceros inoxidables que pueden ser potenciales candidatos son:

Nombre Comercial Índice de desempeño (M3)

Acero inoxidable, ferrítico, AISI 405, recocido, bajo en níquel 0,782Acero inoxidable, ferrítico, AISI 430, forjado, recocido 0,580Acero inoxidable, ferrítico, AISI 430F, forjado, recocido 0,567Acero inoxidable, ferrítico, AISI 430FR, forjado, recocido 0,565Acero inoxidable, ferrítico, AISI 403, forjado, recocido 0,444

4. Selección preliminar del material

Se obtiene entonces que el acero inoxidable AISI 405, ferrítico recocido y bajo en níquel presenta un máximo en el índice de desempeño M3, considerando la minimización de costos con un precio promedio que oscila en un rango entre 1,79 y 1,97 US $/kg. Considerando la descripción del material se tiene que el mismo es usado ampliamente en la construcción de equipos para plantas químicas presentando un desempeño excelente ante operación con agua y etanol. Por lo tanto, el presente material constituye el candidato pre-seleccionado para ser usado como material de construcción del recipiente de la torre de rectificación del alcohol.

5. Cálculo del espesor

A pesar de que el acero inoxidable AISI 405, constituye el material de construcción preseleccionado, se llevará a cabo la determinación del espesor del recipiente con los 5 candidatos obtenidos, esto nuevamente con la finalidad de descartar el uso de un exceso de material, lo que implicaría un sobrecosto del recipiente debido a un valor para el esfuerzo de cedencia bajo.

Suponiendo que se lleva a cabo el diseño de una torre de rectificación capaz de resistir una presión máxima de operación de 800 MPa y que posee un diámetro de 3 metros se tiene que el espesor viene dado por la expresión:

t=PMAX∗ R

2∗σ f

Donde:PMAX: presión máxima de operaciónR: radio del recipienteσf: esfuerzo de cedencia

Se procede a determinar el esfuerzo de cedencia para los candidatos obtenidos a partir de la Figura N° 14, en la cual se muestra la relación que presenta dicha propiedad en función de los aceros inoxidables para los cuales se realiza el estudio presente.

Figura N° 14. Esfuerzo de cedencia versus Aceros inoxidables candidatos

Se aprecia que el esfuerzo de cedencia correspondiente a cada uno de los aceros inoxidables presenta un valor promedio entre 78 GPa, lo que ocasiona que el espesor del recipiente sea el mismo independientemente del acero inoxidable empleado. Por esta razón, el acero inoxidable AISI 405, ferrítico recocido y bajo en níquel constituye el material ganador, requiriéndose un espesor de 7,7 mm para llevar a cabo la construcción del recipiente de la torre de rectificación, de forma que se garantice el cumplimiento de las condiciones de diseño previamente descritas.