Alkohol furfuríliko bio-monomeroa biomasatik abiatuta ekoizteko industria-instalazio baten diseinu eta analisi tekno-ekonomikoa

1 Ikasturtea: 2023-2024 Zuzendaria: Gandarias Goikoetxea, Iñaki Ikaslea: Ibañez Mujika, Malen ALKOHOL FURFURILIKO BIO-MONOMEROA BIOMASATIK ABIATUTA EKOIZTEKO INDUSTRIAINSTALAZIO BATEN DISEINU ETA ANALISI TEKNO-EKONOMIKOA INDUSTRIA TEKNOLOGIAREN INGENIERITZA GRADUA GRADU AMAIERAKO LANA Data: Bilbo, 2024/07/23 2 3 Laburpena: Gradu amaierako lan honetan, biomasa erabiliz alkohol furfuriliko bio-monomeroaren produkziorako instalazio industrial baten diseinu eta azterketa tekno-ekonomikoa egiten da. Alkohol furfurilikoa nekazaritza-hondakinetatik eratorritako konposatu organikoa da. Gaur egun, industria kimikoan garrantzia hartu duena, baliabide jasangarri gisa duen potentziala dela eta. Erretxinak, disolbatzaileak eta plastikoak ekoizteko bitartekari gisa erabiltzen da, erretikuluzko-agente gisa dituen propietateei eta materialen iraunkortasuna eta erresistentzia hobetzeko duen gaitasunari esker. Gainera, jatorri berriztagarria eta biodegradagarria duenez, ohiko produktu petrokimikoen aurrean alternatiba ekonomigarria da, ingurumena errespetatzen duten soluzio iraunkorragoen eskaera gero eta handiagoarekin lerrokatuz. Alkohol furfurilikoaren ekoizpena biomasaren hidrolisi eta deshidratazio prozesuen bidez egiten da, eta furfuraletik abiatuta hidrogenazio prozesu bat jarraitzen du katalizatzaile baten presentzian. Prozesu honen optimizazioa lortzeko, erreaktore tubular bat diseinatu da, 116 ºCtako tenperatura eta 200 hodikoa. Hidrogenoa berreskuratu eta birzirkulatu egiten da, integrazio energetikoa eginez eta prozesuaren eraginkortasuna maximizatuz. Gainera, destilazio dorrea ere optimizatu da osagai kimikoak bereizteko eta alkohol furfuriliko ahalik eta puruena lortu ahal izateko. Azkenik, prozesuaren integrazio energetikoa eta analisi tekno-ekonomikoa aztertu dira, emaitzek erakusten dutenez, integrazio energetikoak prozesuaren errentagarritasuna eta ingurumen-onurak nabarmen hobetzen ditu. Alkohol furfurilikoaren ekoizpenak CO2 isurketak murrizten ditu eta klima-aldaketaren aurkako ekintzak sustatzen ditu, lehengai fosilen ordez iturri berriztagarriak erabiliz. Lan honek industria-prozesu garbiago eta iraunkorrago baterako bidea irekitzen du, furfuraletik eratorritako bio-monomeroen erabilera sustatuz. Resumen: Este Trabajo de Fin de Grado se centra en el diseño y análisis tecno-económico de una instalación industrial para la producción de bio-monómero de alcohol furfurílico utilizando biomasa. El alcohol furfurílico es un compuesto orgánico derivado de residuos agrícolas que ha ganado importancia en la industria química debido a su potencial como recurso sostenible. Se utiliza como intermediario en la producción de resinas, disolventes y plásticos, gracias a 4 sus propiedades como agente reticulante y su capacidad para mejorar la durabilidad y resistencia de los materiales. Además, por su origen renovable y biodegradable, es una alternativa económica frente a los productos petroquímicos tradicionales, alineándose con la creciente demanda de soluciones más respetuosas con el medio ambiente. La producción de alcohol furfurílico se realiza mediante procesos de hidrólisis y deshidratación de biomasa, seguidos de un proceso de hidrogenación de furfural en presencia de un catalizador. Para optimizar este proceso, se ha diseñado un reactor tubular, determinando las condiciones óptimas de reacción a 116 ºC y 200 tubos. El hidrógeno se recupera y recircula, mejorando la integración energética y maximizando la eficiencia del proceso. Además, la unidad de destilación se ha optimizado para separar los componentes químicos y conseguir la mayor pureza posible de alcohol furfurílico. Finalmente, se han examinado la integración energética y el análisis tecno-económico del proceso. Los resultados muestran que la integración energética mejora significativamente la rentabilidad y los beneficios ambientales del proceso. La producción de alcohol furfurílico reduce las emisiones de CO2 y apoya las acciones contra el cambio climático, utilizando recursos renovables en lugar de materias primas fósiles. Este trabajo abre camino hacia procesos industriales más limpios y sostenibles, promoviendo el uso de bio-monómeros derivados del furfural. Abstract: This Final Degree Project focuses on the design and techno-economic analysis of an industrial facility to produce furfuryl alcohol bio-monomer using biomass. Furfuryl alcohol is an organic compound derived from agricultural waste that has gained importance in the chemical industry due to its potential as a sustainable resource. It is used as an intermediary in the production of resins, solvents, and plastics, thanks to its properties as a crosslinking agent and its ability to improve the durability and resistance of materials. Additionally, due to its renewable and biodegradable origin, it is an economical alternative to traditional petrochemical products, aligning with the growing demand for more environmentally friendly solutions. The production of furfuryl alcohol is carried out through hydrolysis and dehydration processes of biomass, followed by a furfural hydrogenation process in the presence of a 5 catalyst. To optimize this process, a tubular reactor was designed, determining the optimal reaction conditions at 116 ºC and 200 tubes. Hydrogen is recovered and recirculated, improving energy integration and maximizing process efficiency. Additionally, the distillation unit has been optimized to separate chemical components and achieve the highest possible purity of furfuryl alcohol. Finally, the energy integration and techno-economic analysis of the process have been examined. The results show that energy integration significantly improves the profitability and environmental benefits of the process. The production of furfuryl alcohol reduces CO2 emissions and supports actions against climate change, using renewable resources instead of fossil raw materials. This work paves the way for cleaner and more sustainable industrial processes, promoting the use of bio-monomers derived from furfural. Hitz gakoak: Aspen Plus FurfuralaFurfuralFurfural Alkohol furfurilikoaAlcohol furfurílicoFurfuryl alcohol 2-metilfurano2-metilfurano2-methylfuran Alkohol tetrahidrofurfurilikoaAlcohol tetrahidrofurfutílicoTetrahydrofurfuryl alcohol 6 Aurkibidea MEMORIA ............................................................................................................. 9 1 Sarrera .............................................................................................................. 9 2 Testuingurua ...................................................................................................... 9 3 Garapen Iraunkorreko Helburuekiko eta printzipio eta balio demokratikoekiko lotura ................................................................................................................. 14 4 Lanaren helburuak eta irismena ....................................................................... 15 5 Lanak dakartzan onurak .................................................................................. 16 6 Gaiaren egoeraren azterketa ............................................................................. 16 7 Proposatutako irtenbidearen aukeraketa ........................................................... 18 LANERAKO ERABILITAKO METODOLOGIA .................................................... 20 8 Faseen deskribapena ........................................................................................ 20 8.2 Gantt-en driagrama ................................................................................... 23 9 Emaitzak ......................................................................................................... 24 9.1 Diseinu kontzeptuala .................................................................................. 24 9.2 Unitate ezberdinen diseinu eta optimizazioa ................................................. 33 9.3 Integrazio energetikoa ................................................................................ 44 9.4 Azterketa tekno-ekonomikoa ...................................................................... 49 ALDERDI EKONOMIKOAK ................................................................................ 52 10. Aurrekontua ................................................................................................. 52 10.1 Lan orduak .............................................................................................. 52 10.2 Amortizazioak .......................................................................................... 52 10.3 Gastu totalak ........................................................................................... 53 ONDORIOAK ....................................................................................................... 54 BIBLIOGRAFIA ................................................................................................... 55 7 Irudien aurkibidea 1. Irudia. 2020-ko findegiaren eta 2050-eko bio-findegiaren arteko aldea [1]. ................... 10 2. Irudia. Etorkizuneko bio-findegi bihurtzeko prozesuen ikuspegi orokorra [1]. ............... 11 3. Irudia. Biomasa lignozelulosikoaren egituraren diagrama eskematikoa [2]. ................... 12 4. Irudia. Biomasak jasaten duen erreakzioa sinplifikatuta. ............................................. 13 5. Irudia. Furfuraletik eratorritako bioerregai eta produktuak. ......................................... 13 6. Irudia. Alkohol furfurilikotik atera ahal diren produktu kimikoak eta bioerregaiak [8]. .... 18 7. Irudia. Gas-faseko diagrama, alkohol furfurilikoaren ekoizpen planta.A) Lurrungailu tubularra; B) Demister; C) Furfural berreskuratze-depositua; D) Erreaktore tubularra; E) Alkohol furfuriliko gordinaren tankea; F) Demister; G) Hutseko destilazio-zutabea; H) Hutseko ponpa ........................................................................................................ 19 8. Irudia. Gantt-en diagrama ...................................................................................... 23 9. Irudia. “Find” erreminta. ....................................................................................... 24 10. Irudia. Konposatuen zerrenda. .............................................................................. 25 11. Irudia. Metodo termodinamikoaren aukeraketa. ....................................................... 25 12. Irudia. Optimizatu gabeko fluxu-diagrama. ............................................................. 26 13. Irudia. Furfuralaren sarrerako korronteko baldintzak. ............................................... 26 14. Irudia. Hidrogenoaren sarrerako korronteko baldintzak............................................. 27 15. Irudia. “EVAPOR01”-en propietateak. ................................................................... 27 16. Irudia. “HEATX01”-aren propietateak. .................................................................. 28 17. Irudia. “RPLUG01” datuak. ................................................................................. 29 18. Irudia. “RPLUG01” datuak. ................................................................................. 29 19. Irudia. Erreaktorearen entalpia. ............................................................................. 30 20. Irudia. “HEATER02”-aren propietateak. ................................................................ 30 21. Irudia. “FLASH01”-aren propietateak. ................................................................... 31 22. Irudia. “FLASH01”-aren frakzio molarra. .............................................................. 31 23. Irudia. “HEATER03”-aren propietateak. ................................................................ 32 24. Irudia. “DEST01” datuak. .................................................................................... 33 25. Irudia. Furfuralaren hidrogenazioa......................................................................... 33 26. Irudia. Alkohol furfurilikoaren hidrogenazioa. ........................................................ 33 27. Irudia. “R-1” erreakzioa. ...................................................................................... 35 28. Irudia. “R-2” ekuazioa. ........................................................................................ 35 29. Irudia. Erreaktorearen sentsitibitia. ........................................................................ 38 30. Irudia. Hozten duen bero trukagailuaren sentsibilitatea. ............................................ 38 31. Irudia. “Desing Specifications” atala. ..................................................................... 39 32. Irudia. “Recovery” aldagaia.................................................................................. 40 33. Irudia. “R” aldagaia. ........................................................................................... 40 34. Irudia. “Recovery” limiteak. ................................................................................. 40 8 35. Irudia. “R” limiteak. ............................................................................................ 41 36. Irudia. Destilazio dorrearen hondarraren fluxu molarra. ............................................ 44 37. Irudia. Integrazio energetikoa duen prozesua. .......................................................... 45 38. Irudia. ACC kalkuluaren azalpena ......................................................................... 49 Taulen aurkibidea: 1. Taula. Erreaktorearen tenperaturaren optimizazioa. .................................................... 37 2. Taula. Destilazio dorrearen plater kopuruaren optimizazioa. ........................................ 41 3. Taula. Elikatze plateraren optimizazioa. ................................................................... 43 4. Taula. Integrazio energetikoarekin dugun prozesuaren eta integrazio energia gabeko prozesuaren arteko alderaketa. ................................................................................... 46 5. Taula. Gastu totalak. ............................................................................................. 53 Grafikoen aurkibidea: 1. Grafikoa. Erreaktorearen konbertsioa eta errendimenduak tenperaturaren menpe. .......... 37 2. Grafikoa. . Errefluxu erratioaren eta heat duty plater kopuruaren menpe. ...................... 42 3. Grafikoa. Errefluxu erratioaren eta heat duty elikatze plater kopuruaren menpe. ............ 43 Akronimoen zerrenda: GRAL= Gradu Amaierako Lana SUPREN= SUstainable PRocess ENgineering UPV/EHU= Universidad del Paín Vasco/ Euskal Herriko Unibertsitatea NRTL= Non-Random Two-Liquid THFA= alkohol tetrahidrofurfurilikoa 9 MEMORIA 1 Sarrera Alkohol furfurilikoak, nekazaritza-hondakinetatik eratorritako konposatu organikoak, garrantzia hartu du azken urteotan, industria kimikoan baliabide jasangarri gisa duen potentziala dela eta. Erretxinak, disolbatzaileak eta plastikoak ekoizteko bitartekari gisa erabiltzen da, erretikuluzko-agente gisa dituen propietateei eta materialen iraunkortasuna eta erresistentzia hobetzeko duen gaitasunari esker. Gainera, jatorri berriztagarria eta biodegradagarria duenez, ohiko produktu petrokimikoen aurrean alternatiba ekonomigarria da, ingurumena errespetatzen duten soluzio iraunkorragoen eskaera gero eta handiagoarekin lerrokatuz. Hori dela eta, gradu amaierako lan honen helburu nagusia, biomasa erabiliz alkohol furfuriliko bio-monomeroaren produkziorako instalazio industrial baten diseinu eta azterketa tekno-ekonomikoa egitea da. Hori aurrera eramateko, fase ezberdinak ditu lan honek, batik bat diseinu kontzeptuala, unitateen optimizazioa, integrazio energetikoa eta analisi teknoekonomikoa, guzti hau Aspen Plus simulazio programaren bidez eraman da aurrera. Honekin batera, aipatu beharra dago GRAL hau Supren ikerketa taldearen ikerketaren esparruan egin dela. SUPREN - SUstainable PRocess ENgineering ikerketa taldea, Bilboko Ingeniaritza Eskolako Ingeniaritza Kimikoa eta Ingurumen Ingeniaritza Sailari lotua dago (UPV/EHU) eta ikerkuntza eta garapeneko zenbait jarduera egiten duen taldea da. Hainbat ikerkuntza ildotan lan egiten dute: erreakzio-sistema aurreratuen diseinua, biofindegietan integratutako prozesuak, hidrogenoaren teknologiak, hondakinen birziklapena eta balorizazioa eta prozesu hidrometalurgikoen garapena. Prozesu ezberdinen simulazioa eta modelizazioa ere egiten dute eta horretarako simulatzaile komertzialak eta simulazio-tresna espezifikoak erabiltzen dituzte, jarduera ezberdinak jorratzen: datu esperimentalen tratamendua, prozesuen mailakatzea, ereduen sintonizazioa eta prozesu errealen diseinua eta optimizazioa. 2 Testuingurua Lehengaiak, hala nola ikatza, petrolioa eta gasa, munduko energiaren gehiengoa hornitzen dute eta funtsezkoak dira eguneroko bizitzarako, produktu askorentzat. Hala ere, haien erabilera CO2 isurketen kausa nagusia da, aldaketa klimatiko globala bultzatzen duena. 16 Prozesu honen irismenari dagokionez: 1. Diseinu kontzeptuala 2. Unitate ezberdinen diseinu eta optimizazioa 3. Integrazio energetikoa 4. Azterketa tekno-ekonomikoa 5 Lanak dakartzan onurak Lan honek dakartzan onurak hiru ikuspegi ezberdinetatik ikus ditzakegu: niri ze onura ekarri dizkidan, Supren ikerketa taldeari ze onura ekarri ahal dizkion eta gizarteari ze onura ekarri ahal dizkion. Lehenik, nik arlo hau aukeratu nuen kimika teknologikoa gustatzen zaidalako eta horrekin zerikusia zuen gaiak gehiago landu nahi nituelako. Lan hau egin dudan bitartean Aspen Plus simulazio programa zelan erabiltzen den ikasi dut, hori etorkizun batean nire onurarako izango da. Gainera gai hau nahiko berritzailea iruditzen zait, hau da, asko aztertu ez den gai bat da edo oraindik aztertzen ari dena eta aztertze lan horretan ibiltzeko aukera izan dut. Bigarrenik, lan honen bidez gaur egun martxan dagoen alkohol furfurilikoaren prozesuaren analisi tekno-ekonomikoa egin dut eta Supren taldeak alternatibak ikertzen ditu. Orduan, lan hau erabilgarria zaie eurak aztertzen duten prozesu alternatiboaren eta gaur egun egiten ari den prozesuaren arteko konparaketa egin ahal izateko. Azkenik, gizarteari hainbat onura ekarri ahal dizkio lan honek. Ingurumen-onurak, biomonomeroak iturri berriztagarrietatik ekoizteak lehengaiekiko mendekotasuna murrizten laguntzen du, berotegi-efektuko gasak gutxiago isurtzen laguntzen du eta klima-aldaketa arintzen du. Bio-monomeroak ekoizteko nekazaritzako biomasa erabiltzeak mesede egin diezaieke landa-komunitateei, diru-iturri gehigarria ematen duelako eta tokiko azpiegituraren garapena sustatzen duelako. 6 Gaiaren egoeraren azterketa Furfuralaren lehen aurkikuntza 1831. urtean egin zen Johann Wolfgang Döbereiner-en eskutik, honek substantzia oliotsu hori bat isolatu zuen eta karbohidratoak H2SO4 eta MnO2arekin tratatu zituen. 1845. urtean G. Fownes-ek konposatua eta bere egitura kimikoa behar bezala identifikatu eta deskribatu zituen C5H4O2 [5]. 17 1922an Quaker Oats Companyk furfuralaren ekoizpen komertziala hasi zuen Cedar Rapidsen, Iowan, hilean tona batzuk ekoiztuz. Prozesu industrial honetan oloa-azalak lehengai gisa erabiltzen ziren, oloa-azalak azido sulfurikoarekin nahasten ziren katalizatzaile gisa eta gero lurrun presio altuarekin berotzen ziren furfurala lurrun destilazio bidez lortzeko. Prozesu honek erreaktibitate baxua eta masa transferentzia eskasa zituen, eta horrek % 50eko errendimendua eta energia erabilera intentsiboa eragiten zituen [6]. Furfurala petrolioa fintzeko eta fenol-furfuralaren erretxinarako erabili ahal zela konturatzean, honek furfuralaren ekoizteko gaitasunak handitu zituen 30eko eta 40ko hamarkadetan. 1934an Quaker Oats konpainiak alkohol furfurilikoa merkaturatu zuen. Gaur egun, alkohol hau furfuralaren deribatzaile handiena da. Furfuralaren ekoizpenak azken urteotan nabarmen handiz egin du aurrera, metodo jasangarriago eta eraginkorragoetan oinarrituz. Gaur egun, gehien ikertzen den metodoetako bat nekazaritzako hondakinak, arto-hondakinak kasu, hidrolisi eta deshidratazio katalitikoko prozesuen bidez bihurtzea da. Duela gutxi egindako azterlan baten arabera, nekazaritza-hondakinetatik abiatuta, furfural ekoizpena optimizatu egin da, eta katalizatzaile solido birziklagarriak erabili dira errendimenduak hobetzeko eta ingurumen-inpaktuak murrizteko. Ikuspegi horrek % 52,35erainoko furfural errendimenduak erakutsi ditu, arto hidrolizatuak bihurtzeko azido solido birziklagarria erabiltzen denean [7]. Alkohol furfurilikoa, C5H6O2 formula duen eta hidrogenazio prozesu batez furfuraletik lortzen den konposatu kimikoa da. Furfuralaren hidrogenazio-prozesua XX. mendearen erdialdean garatu eta optimizatu zen, eta horrek alkohol furfurilikoaren eskala handiko produkzioa ahalbidetu zuen. Alkohol furfurilikoa, batez ere, metalen galdaketan kalitate handiko nukleoetarako eta moldeetarako erretxinak fabrikatzeko erabiltzen da, baita industria erregogorretarako fenolerretxinak eta poliuretanozko eta poliesterreko aparretarako epoxi erretxinak fabrikatzeko ere. Alkohol tetrahidrofurfurilikoa (THFA) eta farmaziako produktuen sintesirako lehengai gisa erabiltzen da, bai eta lurrinak fabrikatzeko ere [8]. 6. Irudian alkohol furfurilikotik atera ahal diren produktu kimiko eta bioerregaiak agertzen dira. 18 6. Irudia. Alkohol furfurilikotik atera ahal diren produktu kimikoak eta bioerregaiak [8]. 7 Proposatutako irtenbidearen aukeraketa 7.irudian, alkohol furfurilikoa ekoizteko unitate baten prozesu-diagrama ageri da. Furfurala lurrungailu tubular batean, 120 ºC-tan lurrundu egiten da hidrogeno korronte batean (A). Deslausotu ondoren (B), korronte hori gainberotu egiten da olioz berotutako erreaktore tubularrean sartu aurretik (D). Demister-etik ateratako furfural likidoa C deposituan berreskuratzen da. Erreaktoretik pasatu eta gero furfuralaren konbertsioak % 99a gainditzen du. Alkohol furfuriliko gordina kondentsatu egiten da eta E deposituan jasotzen da. Hidrogeno korrontea beste demister batetik pasatzen da (F), behin pasatuta lurrungailura (A) birzirkulatzen da. E deposituko alkohol furfuriliko gordina birberotu eta destilatu egiten da hutseko destilazio-zutabe (G) batean, alkohol furfurilikoak % 99ko purutasuna eduki dezan. Hutseko destilazio-zutabearen goiko partetik ateratzen dira ura eta metil-furanoa. Alkohol furfurilikoaren ekoizpena 120 ºC-tako tenperaturan hasten da, zeina mantendu egiten den furfularak % 99tik beherako konbertsioa eduki arte. Tasari eusteko, katalizatzailearen ohantzearen tenperatura pixkanaka gorantz doa 160-170 ºC-ra arte. Katalizatzailea birsortzeko, erreaktorearen tenperatura igo egiten da 220 ºC-ra arte. 160 ºC-ko aurreerredukzioaren ondoren, erreakzioa Cu katalizatzailearekin 120 ºC-ra berrabiatzen da. 19 7. Irudia. Gas-faseko diagrama, alkohol furfurilikoaren ekoizpen planta.A) Lurrungailu tubularra; B) Demister; C) Furfural berreskuratze-depositua; D) Erreaktore tubularra; E) Alkohol furfuriliko gordinaren tankea; F) Demister; G) Hutseko destilazio-zutabea; H) Hutseko ponpa Alkohol furfurilikoa furfuraletik bi eratan produzitu daiteke: lurrun faseko erreakzio batekin edo likido faseko erreakzio batekin. Ala ere alkohol furfurilikoaren ekoizpena gas-fasean egiten da (aurretik azaldutako prozesuaren bidez), fase likidoaren ordez, hainbat arrazoi tekniko eta ekonomikoengatik. Gas-fasean, gasa eta beroaren transferentzia eraginkorragoa da. Horrek erreaktiboak hobeto banatzea eta erreakzioan sortutako beroa azkarrago ezabatzea ahalbidetzen du, eta hori funtsezkoa da prozesuaren baldintza egokiei eusteko. Gainera, gas-fasean produzitzen denean tenperaturak kontrolatuagoak izaten dira. Hori bereziki garrantzitsua da furfuralaren hidrogenaziorako; izan ere, baldintza espezifikoak behar dira alkohol furfurilikoaren ekoizpena maximizatzeko eta nahi ez diren beste produktu batzuen eraketa minimizatzeko. Honekin batera, gas-fasea errazagoa da nahi den produktua erreakzio-nahastearen gainerako osagaietatik bereiztea. Alkohol furfurilikoa modu eraginkorragoan kondentsatu eta bildu daiteke, fase likidoan dauden bereizte-metodoekin alderatua. Azkenik, fase likidoak korrosio mantentze-arazoak eragin ditzake ekipoetan, erreaktiboen eta produktuen izaera dela eta. Gasfaseak, oro har, korrosio-arazo gutxiago izaten ditu, eta horrek mantentze-kostu txikiagoak eta ekipoaren balio-bizitza handiagoa izatea dakar. 20 LANERAKO ERABILITAKO METODOLOGIA 8 Faseen deskribapena Proiektuarekin hasi baino lehen, garrantzitsua da proiektuaren planifikazioa egitea. Atal honetan, proiektuaren fase ezberdinak azalduko dira. Etapa bakoitza garatzeko beharrezkoak diren baliabideak, ikasle zein zuzendariren lan orduak eta fasea bukatzeko epea zehaztuko dira. Behin guztiak definituta, Gantt diagrama bidez adieraziko dira. Azalduko diren faseak bata bestearen atzetik burutu behar dira, izan ere, fase bakoitzaren aurrekaria aurreko fasea da, orduan fase bat burutu ahal izateko aurreko fasea burutua egon behar da. 1. Fasea: Azterketa bibliografikoa ▪ Deskribapena: Fase honetan prozesuaren inguruko informazioa bilatuko da. Informazioa bilatzearekin batera, iada simulazio honen beste simulazio batzuk aztertuko dira lagungarriak izan daitezen. ▪ Baliabide teknikoak: Ordenagailua ▪ Lan orduak: Ikaslea 4h/ Zuzendaria 2h ▪ Epea: 1 aste (2024/01/30-2024/02/05) 2. Fasea: Aspen Plus simulatzailea ulertu ▪ Deskribapena: Fase honetan, Aspen Plus V14 erabiltzen ikasiko da, bideo batzuen bidez. ▪ Baliabide teknikoak: Aspen Plus V14 lizentzia duen ordenagailua eta unibertsitateko VPN sarbide zerbitzua duen ordenagailua ▪ Lan orduak: Ikaslea 9h / Zuzendaria 3h ▪ Epea: 1 aste (2024/02/06-2024/02/14) 3. Fasea: Alkohol furfurilikoaren hasierako simulazioa ▪ Deskribapena: Etapa honetan Aspen Plus-en simulazioak burutuko dira. Optimizatu gabeko prozesua egingo da etapa honetan eta aurrera eramateko bilerak egingo dira. ▪ Baliabide teknikoak: Aspen Plus V14 lizentzia duen ordenagailua eta unibertsitateko VPN sarbide zerbitzua duen ordenagailua ▪ Lan orduak: Ikaslea 8h / Zuzendaria 3h ▪ Epea: 1 aste (2024/02/15-2024/02/21) 4. Fasea: Erreaktorea eta berogailua ▪ Deskribapena: Etapa honetan erreaktorean gertatzen diren erreakzioak gehituko dira, eta ondoren erreaktorearen jariakinaren tenperatura eta hodi kopurua optimizatuko 21 dira, aldi berean flash-aren aurretik doan berogailuaren tenperatura ere optimizatuko da. ▪ Baliabide teknikoak: Aspen Plus V14 lizentzia duen ordenagailua eta unibertsitateko VPN sarbide zerbitzua duen ordenagailua ▪ Lan orduak: Ikaslea 15h / Zuzendaria 5h ▪ Epea: 2 aste (2024/02/22-2024/03/07) 5. Fasea: Destilazio dorrearen optimizazioa ▪ Deskribapena: Atal honetan, destilazio dorrearen plater kopuruaren optimizazioa egin da, bertatik ateratako emaitzak “Excel” batean apuntatuz. ▪ Baliabide teknikoak: Aspen Plus V14 lizentzia duen ordenagailua, “Excel” aplikazioa eta unibertsitateko VPN sarbide zerbitzua duen ordenagailua ▪ Lan orduak: Ikaslea 6h / Zuzendaria 4h ▪ Epea: 4 aste (2024/03/08-2024/04/08) 6. Fasea: Birzirkulazioa ▪ Deskribapena: Etapa honetan flash-etik ateratzen zen hidrogeno kantitatea hasierako nahasgailuan sartu da, hori egiteko hasierako emariak aldatu behar izan dira. ▪ Baliabide teknikoak: Aspen Plus V14 lizentzia duen ordenagailua eta unibertsitateko VPN sarbide zerbitzua duen ordenagailua ▪ Lan orduak: Ikaslea 25h / Zuzendaria 7h ▪ Epea: 4 aste (2024/04/09-2024/05/02) 7. Fasea: Integrazio energetikoa ▪ Deskribapena: Atal honetan, aurreko faseetatik lortutako modeloa erabiliko da. Fase honetan simulazioan askatzen den bero kantitate ahalik eta handiena erabili nahi da energia ez galtzeko ▪ Baliabide teknikoak: Aspen Plus V14 lizentzia duen ordenagailua eta unibertsitateko VPN sarbide zerbitzua duen ordenagailua ▪ Lan orduak: Ikaslea 6h/ Zuzendaria 3h ▪ Epea: 1 aste (2024/05/03-2024/05/10) 8. Fasea: Gradu Amaierako Lana idaztea ▪ Deskribapena: Egindako lan guztia, lortutako emaitzak eta hartutako erabakiak dokumentatuko dira. Simulazioaren deskribapena agertuko da eta bertatik ateratako ondorioak ere. ▪ Baliabide teknikoak: “Word” duen ordenagailua 22 ▪ Lan orduak: Ikaslea 35h / Zuzendaria 5h ▪ Epea: 5 aste (2024/06/19-2024/07/26) 23 8.2 Gantt-en driagrama 8. Irudia. Gantt-en diagrama 24 9 Emaitzak Aurretik azaldutako prozesuaren simulazioa egiteko Aspen Plus softwarea erabiliko da. Software hau ingeniaritza kimiko eta prozesu industrietan erabiltzen da batez ere, ekoizpensistemak modelatu eta optimizatzeko. Software honek milaka konposatu kimikoren datua gordetzen du eta gainera industria kimikoan erabiltzen diren bero trukagailu, erreaktore, ponpa… eta beste hainbat modelo aurki ditzakegu. Software honen bidez kalkulu ezberdinak egin daitezke eta hauen optimizazioa eginez simulazioaren emaitzarik onenak lortu ditzakegu. Aspen Plus software-ak hainbat bertsio ezberdin ditu baina Gradu Amaierako Lan hau egiteko V14 bertsioa erabili da. Beste bertsio bat erabiliko bagenu, behin hau eginda, lortutako emaitzak ez lirateke berdinak izango. 9.1 Diseinu kontzeptuala 9.1.1 Hasierako parametroak Lehenik eta behin simulazioa egin ahal izateko behar diren konponenteak sartu behar dira. Hori egiteko, Aspen Plus programan, “Properties” → “Components” → “Specifications” atalean, 9. Irudian ikusi daitekeen bezala. 9. Irudia. “Find” erreminta. “Find” erremintaren bitartez Aspen Plusek bere software-ean sortuta daukan basean nahi den konposatua bilatzen du. Tresna hau oso erabilgarria da, izan ere, software-ak iada informazioa badauka, konposatuen propietateak ez dira eskuz sartu behar. Konposatu kimikoak bananbanan gehitu behar dira “Find” erremintaren bidez. 10. Irudian prozesuan erabiliko diren konponente guztien zerrenda agertzen da. 25 10. Irudia. Konposatuen zerrenda. “Methods” karpetan metodo termodinamikoa hautatu behar da, metodo termodinamikoa nahasteen propietateak kalkulatzeko erabiltzen diren ekuazioak dira. Hautatutako metodo termodinamikoa “NRTL” da, NRTL metodoa bereziki egokia da desbideratze ez-ideal esanguratsuak dituzten sistema likidoetarako. Osagaien arteko elkarrekintza konplexuekin nahasteak modelatzeko eraginkorra da. Likido/likido oreka duten sistemetarako egokia da, ondo maneiatu baitezake faseen bereizketa. 11. Irudian “Methods” atalean hautatutako konfigurazioa ikus daiteke. 11. Irudia. Metodo termodinamikoaren aukeraketa. 32 aren propietateak definituta ikus ditzakegu. Honetan, tenperatura 114 ºC-tara definitu dugu eta presioa 0,15 bar-etara, azken finean tenperatura horretara sartu behar genuen destilazio dorrera. 23. Irudia. “HEATER03”-aren propietateak. Azkenik, “DEST01” (destilazio dorrea) izango genuke, honen helburua osagai kimikoak bereizteko eragiketak diseinatu eta aztertzea da, destilazio-zutabeen eta bereizketa zatituko beste ekipo batzuen bidez, gure kasuan, alkohol furfuriliko ahalik eta puruena lortzen dugu. Prozesu honen helburua % 99ko purutasuna duen alkohol furfurilikoa lortzea da, hau lortzeko zuk lortu nahi duzun produktua beheko partetik doan emaritik askatzen du (hondarra) eta beste produktuen ahalik eta gehiena goiko partetik doa (destilatua). Gure kasuan, “DEST01”- aren goiko partetik emariak dituen osagai arinak (lurrunkorrenak, ura eta 2-metilfuranoa) lortuko dira, beheko aldetik (hondarretik) alkohol furfurilikoa purutasun handiarekin lortu ahal izateko. 24. Irudian ikus ditzakegu “DEST01”-ean sartutako datuak. 16 plater izango ditugu, hori geroago optimizazioa eginez lortuko dugu, 9.2.4 atalean ikusiko den bezala, ahalik eta alkohol furfuriliko gehiena nahi da baina ekonomikoki errentagarria izatea ere nahi da. Orduan errefluxu erratioarekin alderatu behar dugu. Errefluxu erratioa, zutabearen goiko aldera itzultzen den likido-fluxuaren (errefluxua) eta zutabetik ateratzen den destilaziofluxuaren (produktua) arteko erlazioa da. Errefluxu erratio handiagoak, oro har, destilatuaren purutasuna hobetzen du, likido gehiago baitago eskuragarri goranzko lurruna ukitzeko, eta, hala, osagaiak hobeto bereizten dira. Hala ere, errefluxu erratio oso altu batek kostu 33 operatiboak ere handitu ditzake, energia behar handiagoak eta zutabearen tamaina handiagoa dutelako. Horregatik bilatu behar da bien arteko oreka bat. 24. Irudia. “DEST01” datuak. 9.2 Unitate ezberdinen diseinu eta optimizazioa 9.2.1 Zinetika Erreaktorearen diseinua egiteko honen zinetika ezagutu behar dugu. Erreaktorean bi erreakzio emango ziren, batetik, furfuralaren hidrogenazioa. 25. Irudian agertzen da erreakzioa 25. Irudia. Furfuralaren hidrogenazioa. Bestetik, furfuralaren hidrogenazioa gertatzen den bitartean eta hidrogeno kantitate handiaren ondorio moduan, alkohol furfurilikoaren hidrogenazioa eman daiteke bertatik 2-metilfuranoa lortuz. 26. Irudian ikus daiteke erreakzioa. 26. Irudia. Alkohol furfurilikoaren hidrogenazioa. 34 Lehenengo erreakzioaren zinetikak hurrengo forma izango luke [10,11]: 𝑟1=𝑘1·𝐶𝐹𝐴𝐿 ·𝐶𝐻22 Non: ➢ r1: erreakzio abiadura (mol/L*s) ➢ k1: erreakzioaren konstante zinetikoa (L2/mol2*s) ➢ CFAL: furfuralaren kontzentrazioa (mol/L) ➢ CH2: hidrogenoaren kontzentrazioa (mol/L) Bigarren erreakzioaren zinetikak hurrengo forma izango luke [10,11]: 𝑟2=𝑘2·𝐶𝐹𝑂𝐿 ·𝐶𝐻2 Non: ➢ r2: erreakzio abiadura (mol/L*s) ➢ k2: erreakzioaren konstante zinetikoa (L/mol*s) ➢ CFOL: furfuralaren kontzentrazioa (mol/L) Erreakzioen zinetika lortu ahal izateko Arrhenius-en ekuazioaren parametroak ezagutu behar dira, hauek erreakzioen konstante zinetikoaren balioak definitzen dituzte: 𝑘 =𝐴·𝑒𝑥𝑝(−𝐸𝑎 𝑅·𝑇) Non: ➢ k: erreakzioaren konstante zinetikoa (unitateak erreakzioaren mailaren araberakoak dira) ➢ A: faktore aurre-esponentziala (k-ren unitate berdinak) ➢ Ea: aktibazio energia (J/mol) ➢ R: gas idealen konstantea = 8,31446 (J/mol*K) ➢ T: tenperatura (K) Arrhenius ekuazioaren parametroen balioak, bi erreakzioetarako hurrengoak dira [10]: Erreakzioen zinetika Furfuralaren hidrogenazioa C5H4O2 + H2 → C5H6O2 [1] [2] [3] 35 A 1,57*1014 L2/mol2*s Ea/R 10740 K-1 Ea 89297,3 J/mol Alkohol furfurilikoaren hidrogenazioa C5H6O2 + H2 → C5H6O + H2O A 7,05*1017 L/mol*s Ea/R 19000 K-1 Ea 157974,7 J/mol Erreakzioak heterogeneoak dira, erreaktorean bi fase desberdin baitaude (gas-faseko erreaktiboak eta fase solidoko katalizatzailea). Erreakzio-abiaduraren ekuazioak erreakzio homogeneoetarako definituta daude, eta, beraz, azterketa-kasurako balioak zehaztu behar dira. Erreakzio abiadurarekin lotzen da, katalizatzailearen itxurazko dentsitatearen bidez: 𝑟𝐻𝐸𝑇 =𝑟𝐻𝑂𝑀 𝜌𝑎 Non: ➢ rHET: erreakzio heterogeneoko abiadura (mol/kg kat*s) ➢ rHOM: erreakzio homogeneoko abiadura (mol/L*s) ➢ ρa: katalizatzailearen dentsitatea (kg kat/L) Simulazio honen kasuan, lehenengo erreakzioa “R-1” furfuralaren hidrogenazioa izango da. 27. Irudia. “R-1” erreakzioa. Bigarren erreakzioa “R-2” alkohol furfurilikoaren hidrogenazioa izango litzateke. 28. Irudia. “R-2” ekuazioa. [4] 36 9.2.2 Erreaktorearen optimizazioa Lehen esan bezala erreaktorean optimizazioa egin behar da. Hori egiteko, lehen aipatutako jariakinaren tenperatura bakoitzean sentsibilitate analisi bat burutuko da, non aldagaia tenperatura izango den, eta helburua erreaktorearen konbertsioa eta alkohol furfurilikoaren eta 2-metilfuranoaren errendimendua ahalik eta handienak izatea den. Lortutako emaitzak grafikatuko dira, eta tenperatura bakoitzerako konbertsio, alkohol furfurilikoaren errendimendu eta 2-metilfuranoaren errendimendu handiena zein den aztertuko da. Grafikoan aztertuko den aldagaia batetik, konbertsioa, hau da, zenbat kmol/h irteten den erreaktoretik konposatu bakoitzeko, hauetatik irten daitekeen kantitate maximoarekin. Bestetik, errendimendua, hau da, konposatu espezifiko baten irteerako kmol/h kantitatea sartzen den emari osoarekin alderatuz. 𝐾𝑂𝑁𝐵𝐸𝑅𝑇𝑆𝐼𝑂𝐴 (%)=(𝐹𝐴0 −𝐹𝐴) 𝐹𝐴0 ×100 Non: ➢ 𝐹𝐴0: Sartutako emari kantitatea (kmol/h) ➢ 𝐹𝐴: Irteten den furfural kantitatea (kmol/h) 𝐹𝑂𝐿 𝑒𝑟𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑑𝑢𝑎 (%)= 𝐹𝐶 𝐹𝐴0 ×100 Non: ➢ 𝐹𝐶:Irteten den alkohol furfuriliko kantitatea (kmol/h) 𝑀𝐹 𝑒𝑟𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑑𝑢𝑎 (%)= 𝐹𝐷 𝐹𝐴0 ×100 Non: ➢ 𝐹𝐷: Irteten den 2-metilfurano kantitatea (kmol/h) Aztertutako tenperaturak 110 ºC-117 ºC arteko tenperaturak izan dira. [5] [6] [7] 37 1. Taula. Erreaktorearen tenperaturaren optimizazioa. 1. Grafikoa. Erreaktorearen konbertsioa eta errendimenduak tenperaturaren menpe. Jariakinak izango duen tenperatura 116 ºC-takoa izango da, ikusten dugunez 116 ºC-tan alkohol furfurilikoak duen errendimendua maximoa da. Beraz, % 98,56ko konbertsioa lortzen dugu. Erreaktore tubularrak izango dituen hodi kopuruak aukeratu behar dira, beraz, sentsibilitate analisi bat egin behar da. Honen helburua aurrekoaren berdina da konbertsio ahalik eta handiena lortzea, gero eta hodi gehiago izan erreaktorearen konbertsioa gero eta handiagoa izango da. 38 29. Irudia. Erreaktorearen sentsitibitia. Ikusten denez, 200 hartu dugu, asken finean tenperaturaren sentsibilitatearekin alderatuz ikusi daiteke zelan biek konbertsio berdina duten aukeratutako parametroetan, hau da, % 98,56koa. Baldintza guztiak kontuan hartuz ikus daiteke 200 hoditako erreaktorea aukeratzea dela aukerarik egokiena. 9.2.3 Hozten duen bero trukagailuaren optimizazioa Behin erreaktorearen optimizazioa egin eta gero hozten duen bero trukagailua dator, hemen beste sentsibilitate bat egin behar da. Honen helburua “FLASH01”-etik alkohol furfuriliko ahalik eta gehiena likido bezala berreskuratzea da. Azken finean, “FLASH01”-ak bi irteera emari ditu, bata goitik doana, hau da, gure kasuan hidrogeno gasa izango litzatekeela eta bestea, behetik doana. Gure kasuan sentsibilitatearen bidez lortu nahi duguna hurrengoa da: goiko aldetik irteten den alkohol furfuriliko kantitatea % 1ekoa bakarrik izatea eta behetik irteten dena % 99koa izatea. Hau lortu ahal izateko lehen esan bezala optimizazio bat egin behar da. Sentsibilitate analisi bat eginez aldagaia hozkailuaren tenperatura delarik. Bertan sartzen den alkohol furfuriliko kantitatea eta goitik ateratzen den alkohol furfuriliko kantitatea aztertzen dira, irteerakoa % 1ekoa denean hori izango da gure hozten duen bero trukagailuak izango duen tenperatura. 30. Irudia. Hozten duen bero trukagailuaren sentsibilitatea. 39 30.irudian ikusten den bezala 50 ºC edukiko balitu hozten duen bero trukagailuak “FLASH01”-aren goiko aldetik irtengo den alkohol furfuriliko kantitatea % 1,5ekoa izango da, horregatik 50 ºC aukeraketa ona da. 9.2.4 Destilazio dorrearen optimizazioa Destilazio dorrean beste optimizazio bat egin behar da. Optimizazio honen helburua alkohol furfurilikoa % 99ko purutasunarekin ateratzea da baina bereizketa ahalik eta ekonomikoena den heinean. Hori ziurtatzeko emaitzak grafikatuko dira eta bertatik ondorioak ateraz baldintza egokiena aukeratuko da. Destilazio dorrearen optimizazioa egiten denean jakin nahi dena da zenbat plater izan behar dituen gure destilazio dorreak, gero eta plater gehiago izan gero eta garestiagoa izango da baina gero eta plater gutxiago izan errefluxu erratioa gero eta handiagoa izango da eta hori garestiagoa da. Orduan, bi aldagaien arteko oreka bat lortu behar da destilazio dorre ahalik eta ekonomikoena lortu ahal izateko. Hori kontuan izanda, emaitzak grafikatzean bi aldagai horiek izango dira kontuan. Destilazio dorrea definitzeko hurrengoa egin behar da: “Specifications” → “Desing Specifications”. 31. Irudian ikus daitekeen bezala. 31. Irudia. “Desing Specifications” atala. “Desing Specifications” destilazio dorrearen diseinurako eta eragiketarako irizpide espezifikoak definitzea eta doitzea ahalbidetzen du, bi irizpide definitu dira, bata “Recovery” moduan eta bestea “R” moduan. Lehenengoan, beheko emaritik zenbat alkohol furfuriliko mol berreskuratu nahi ditugun definitzen dugu (sartzen den alkohol furfuriliko mol bakoitzeko). Kasu honetan 0,995 balioa ezarri dugu. 32. Irudian ikus daitekeen bezala. Bigarrenean, alkohol furfurilikoak hondarrean zenbateko purutasuna (frakzio masikoan) eduki behar duen definitzen dugu. 33. Irudian ikus daitekeen bezala. 40 32. Irudia. “Recovery” aldagaia. 33. Irudia. “R” aldagaia. Ondoren, “Specifications” → “Vary” atalean, simulagailuak aldatuko dituen bi irizpideei limiteak zehazten zaizkio. 34 eta 35. Irudian ikusten den bezala. 34. Irudia. “Recovery” limiteak. 41 35. Irudia. “R” limiteak. Behin aldagaiak definituta emaitzen analisia zelan egingo den azaldu behar da. Emaitzak ondo grafikatzeko eta ondo aztertu ahal izateko hiru atal aldatu beharko dira. Batetik, “Specifications” → “Configuration” → “Number of stages”, honek plater kopurua definitzen du. Gero, “Specifications” → “Streams” → “Feed Streams”, honek hasierako emaria ze platerretan dartu behar den definitzen du, teorian plater kopuruaren erdian izango dela. Azkenik, “Specifications” → “Efficiencies” → “Ending Stage”, hau batetik plater kopurua baino bat gutxiago izango da eta bestetik efizientzia, gure kasuan 0,7koa izango da. Behin hau guztia eginda, emaitzak grafikatuko ditugu. Bi grafiko egingo ditugu, lehenik plater kopurua analizatzeko eta bestetik ze plateretan elikatu nahi dugun hasierako emaria. 2. Taula. Destilazio dorrearen plater kopuruaren optimizazioa. 48 Energia elektrikoaren kontsumoak gora egin duen arren, honekin lotutako kostuak ez du nabarmen gora egiten. 4. Utility-en kostu totala Total utility cost ($/urte): Integrazio energetikoak erabilgarritasunen kostu totala 39684,2 $/urte-tik 32979,7 $/urte -ra murrizten du, eta horrek baliabide energetikoen eraginkortasuna hobetzen du. 5. CO2 isurketak Integrazio energetikoarekin: 0,7 ktona/urte Integrazio energetiko gabe: 0,86 ktona/urte Ikusi daiteke zelan integrazio energetikoak CO2 isurketak murrizten dituen eta prozesuaren ingurumen-jasangarritasuna hobetzen duen. Orain kalkulatuko dugu zenbat diru aurreztuko genuke integrazio energetikoarekin, hau egiteko integrazio energetikoarekin lortzen duguna eta integrazio energetiko gabe daukaguna alderatuz lortuko dugu.. 1. Berotzeko kostu totala: • Integrazio energetikoarekin: 24536,5 $/urte • Integrazio energetiko gabe: 30842,3 $/urte Berotzerakoan aurreztutakoa= 30842,3 − 24536,5= 6305,8 $/urte 2. Hozteko kostu totala: • Integrazio energetikoarekin: 1022,87 $/urte • Integrazio energetiko gabe: 1542,52 $/urte Hozterakoan aurreztutakoa= 1542,52 − 1022,87= 519,65 $/urte 3. Elektrizitatearen kostu totala: • Integrazio energetikoarekin: 7420,36 $/urte • Integrazio energetiko gabe: 7299,33 $/urte Elektrizitatean aurreztutakoa= 7420,36 − 7299,33= 121,03 $/urte 4. Utility kostu totalak: • Integrazio energetikoarekin: 32979,7 $/urte 49 • Integrazio energetiko gabe: 39684,2 $/urte Utility-etan aurreztutakoa= 39684,2 − 32979,7= 6704,5 $/urte 9.4 Azterketa tekno-ekonomikoa Prozesu industrial baten azterketa tekno-ekonomikoaren helburua prozesu horren bideragarritasun tekniko eta ekonomikoa ebaluatzea da, hau egiteko “Equivalent Annual Operating Cost (EAOC)” kalkulatu beharko litzateke. Horretarako Annulized capital cost (ACC) eta operating cost kalkulatu beharko lirateke. Baina ACC ezin da kalkulatu lizentzian arazo bat dagoelako eta ez du uzten instalatzen, orduan operating cost bakarrik kalkulatuko da, eta hau batik bat erreaktiboen kostua izango da. Gero, EAOC diru sarrerekin alderatu behar da eta emaitza hori positibo irten behar da. 38. Irudian ACC zelan kalkulatuko zen azaltzen da. 38. Irudia. ACC kalkuluaren azalpena Lehenengo urteko irabazi garbiak kalkulatuko ditut eta gero zenbat diru aurreztuko nukeen kalkulatuko dut. Lehengaien eta produktuen prezioak • Hidrogeno: 3,5 $/kg • Furfural: 1,4 $/kg • Alkohol furfurilikoa: 1,68 $/kg Utility kostuak 50 • Total heating cost flow: 2.4536,5 $/urte • Total cooling cost flow: 1.022,87 $/urte • Net cost (Total heating cost + Total cooling cost): 25.559,4 $/urte • Electric power cost: 7.420,36 $/urte • Total utility cost: 32.979,7 $/urte Korronteen kostu totalak • Net cost flow of feeds: 29.507.200 $/urte • Net cost flow of products: 33.715.700 $/urte • Overall net cost flow: 4.208.450 $/urte Analisi ekonomikoa 1. Salmenta sarrerak: ❖ Alkohol furfurilikoa etengabe ekoizten da. ❖ Urteko diru-sarrerak: Urteko diru-sarrerak= Nest cost flow of products Urteko diru-sarrerak= 33.715.700 $/urte 2. Produkzio kostu totalak: Lehengaien kostuak= Net cost flow of feeds Lehengaien kostuak= 29.507.200 $/urte Utility kostuak= Total utility cost Utility kostuak= 32.979,7 $/urte Produkzio kostu totalak= Lehengaien kostuak + Utility kostuak Produkzio kostu totalak 29.507.200 + 32.979,7 = 29.540.179,7 $/urte 3. Irabazi garbia ❖ Urteko irabazi garbia: Urteko irabazi garbia= Urteko diru-sarrerak – Produkzio kostu totalak Urteko irabazi garbia= 33.715.700 – 29.540-179,7 = 4.175.520,3 $/urte 51 Gastu guztiak estaltzeko alkohol furfurilikoaren salmenta prezioa 1,47 $/kg izan beharko litzateke. Produzitutako alkohol furfurilikoa= 33.715.700 $/urte / 1,68 $/kg Produzitutako alkohol furfurilikoa= 20.068.869 kg/urte Salmenta prezio berria= 29.540.179,7 $/urte / 20.068.869 kg/urte Salmenta prezio berria 1,47 $/kg 52 ALDERDI EKONOMIKOAK 10. Aurrekontua Aurrekontuaren atalean hiru azpiatal aztertuko dira: lan orduak, ekipoen amortizazioak eta proiektua aurrera eramateko beharrezkoak diren gastuak. 10.1 Lan orduak Ikaslearen orduak Zuzendariaren orduak Guztira 108 h 32 h 5.Taula. Lan orduak Titulazioaren arabera bakoitzak soldata bat izango du. Ikaslearentzat eta zuzendariarentzat bakoitzak daukan orduko kostua kontuan hartuz, kostu totala kalkulatuko da. Orduko kostua (€/h) Ordu kopurua (h) Kostua (€) Ikaslea 20 €/h 108 h 2160 € Zuzendaria 60 €/h 32 h 1920 € Guztira 4080 € 6. Taula. Lan orduen kostua 10.2 Amortizazioak Proiektuan zehar erabiltzen diren ekipoen amortizazioa burutzeko, kontuan hartu behar da zein den ekipoarn bizitza erabilgarria, proiektua egiteko erabili den denbora eta zein zen ekipoaren hasierako kostua. Horrela, ekipo honen amortizazio kostu totala kalkulatu ahal izango da. Aspen Plus V14 lizentziei dagokienez, guztira 10000€ ordaintzen dira urtero 150 lizentzien truke, beraz lizentzia bakarraren baliokidea kontsideratu da kostu bezala, eta lizentzia horrekin erabilitako ordu kopurua kontabilizatu dira. Ekipoa Kostu totala (€/unitate) Bizitza erabilgarria (h) Erabilitako denbora (h) Amortizazioa (€) Windows 11 145 € 9500 h 108 h 1,65 € Ordenagailua 700 € 9500 h 108 h 7,96 € Aspen Plus V14 40 € 4015 h 80 h 0,80 € Microsoft office 365 70 € 4380 h 80 h 1,28 € 53 Guztira 11,69 € 7. Taula. Amortizazioak 10.3 Gastu totalak Proiektuaren gastu totalak kalkulatzerakoan gastu zuzenak eta gastu ez zuzenak kalkulatu behar dira. Proiekturako gastu zuzenak, aurreko bi ataletan kalkulatutako lan orduen kostuen eta amortizazioen batuketa izango dira. Kasu honetan ez da kontan izan instalakuntzaren gastua edo beste gastu berezirik. Gastu ez zuzenak proiektu honen menpe ez dauden faktoreak dira, esate baterako, internetera konexioa, unibertsitateko instalakuntzak, liburutegia… Gastu ez zuzenak, gastu zuzenen portzentai bat bezala kalkulatuko dira, kasu honetan %7 direla kontsideratuko da. Azkenik gastu zuzenen eta gastu ez zuzenen batura bezala kalkulatuko da. Gastu zuzenak 4091,7 € ➢ Lan orduak 4080 € ➢ Amortizazioa 11,7 € Gastu ez zuzenak (%7) 286,42 € Guztira 4378,12 € 5. Taula. Gastu totalak. 54 ONDORIOAK Gradu amaierako lan honetan biomasa erabiliz alkohol furfuriliko bio-monomeroaren produkzioa lortzea posible dela ondorioztatu da. Gainera, simulaziotik lortutako alkohol furfurilikoaren purutasuna % 99 izatea lortu da, ikus bedi 35. Irudia. Ahalik eta errendimendu handiena lortzeko, erreaktore tubularra erabiliko da, alkohol furfurilikoaren konbertsioa bertan emanez. Erreaktorearen lan baldintza optimoak 116 ºC eta 200 hodi direla ondorioztatu da. Hidrogenoa berreskuratu ahal izateko, eta prozesuaren hasieran berrerabili ahal izateko Flash bat erabiltzen da, non bere tenperatura bero trukagailu batekin zehazten den. Hau zehazteko baldintza moduan, flash-aren goiko aldetik % 1eko alkohol furfurilikoa bakarrik joatea zehazten da. Behin hau zehaztuta ondorioztatu da 50 ºCtan egon behar dela. Aipatutako purutasuna lortzeko, destilazio dorrea erabiliko da. Honen lan baldintza optimoa 16 plater edukitzea dela ondorioztatu da. Aipatu den bezala integrazio energetikoa egin da prozesua hobetu nahian, behi hori aztertuta ikusi da, alkohol furfurilikoa lortzeko industria-prozesuan integrazio energetikoa inplementatzeak hobekuntza esanguratsuak erakusten dituela eraginkortasun termikoari eta erabilgarritasun kostuen murrizteari dagokionez. Gainera, integrazio energetikoa dela eta, urteko guztizko aurrezkia 6704,5 $/urte izango litzateke. Beraz, integrazio energetikoa ezartzeak urteko kostu operatiboak nabarmen aurreztea dakar. Simulatu den prozesuaren kostu nagusiak soilik kontuan hartuz, ikusi da 1,47 $/kg-ko salmenta prezioa euki behar duela alkohol furfurilikoak gastuak estaltzeko, eta alkohol furfurilikoaren merkatuko prezioa 1,68 $/kg-koa da. Gainera, simulazio honek dituen urteko irabazi garbiak oso altuak dira, 4.175.520,3 $/urte. Hau kontuan izanda, egindako simulazioa oso errentagarria dela ikusi daiteke. Laburbilduz, prozesu hau ekonomikoki errentagarria da eta gainera jatorri berriztagarria duen alkohol furfurilikoak ingurumen eragin askoz txikiagoak sortzen dituen prozesu baten bidez produzitzea teknologikoki posiblea dela ikusi da eta honek garrantzi handia du energia kontsumoa etengabe handitzen doalako eta errekurtso naturalak mugatuak daudelako. 55 BIBLIOGRAFIA [1] Vogt, E. T. C., & Weckhuysen, B. M. (2024). The refinery of the future. Nature, 629(295), 295–306. https://doi.org/10.1038/s41586-024-07322-2 [2] Wang, F., Ouyang, D., Zhou, Z., Page, S. J., Liu, D., & Zhao, X. (2021). Lignocellulosic biomass as sustainable feedstock and materials for power generation and energy storage. Journal of Energy Chemistry, 57, 247–280. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2020.08.060 [3] Nerea Viar, Ion Agirre, Iñaki Gandarias. (2023). Process design, kinetics, and technoeconomic assessment of an integrated liquid phase furfural hydrogenation process. En Chemical Engineering Journal. [4] United Nations. (n.d.). Objetivos de Desarrollo Sostenible. United Nations. Retrieved from https://www.un.org/sustainabledevelopment/es/objetivos-de-desarrollo-sostenible/ [5] Hoydonckx, H. E., & Van Rhijn, W. M. (2007). Furfural and Derivatives. En Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. [6] Nhien, L. C., Long, N. V. D., & Lee, M. (2021). Novel hybrid reactive distillation with extraction and distillation processes for furfural production from an actual xylose solution. Energies, 14(4), 1152. https://doi.org/10.3390/en14041152 [7] Fan, Y., Ji, H. Corncob Fractionations Toward Two Purposes: Furfural Production and Papermaking. Bioenerg. Res. 17, 359–368 (2024). https://doi.org/10.1007/s12155-023-106597 [8] Mariscal, R., Maireles-Torres, P., Ojeda, M., Sádaba, I., & López Granados, M. (2016). Furfural: A renewable and versatile platform molecule for the synthesis of chemicals and fuels. Energy & Environmental Science, 9(5), 1144-1189. https://doi.org/10.1039/C5EE02666K [9] Smith, J. M., Van Ness, H. C., Abbott, M. M., & Swihart, M. T. (2018). Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics (8ª ed.). McGraw-Hill Education. [10] Tseng, Y. T., Wang, W. J., Ward, J. D., & Lee, H. Y. (2015). Design and control of a process to produce furfuryl alcohol. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 51, 44-52. 56 [11] Tseng, Y. T., Ward, J. D., & Lee, H. Y. (2016). Design and control of a continuous multiproduct process with product distribution switching: sustainable manufacture of furfuryl alcohol and 2-methylfuran. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 105, 10-20. [12] Fogler, H. S. (2016). Elements of Chemical Reaction Engineering (5th ed.). Pearson Education. [13] Kimray, Inc. (n.d.). What is a Flash Separator? Kimray. Retrieved July 12, 2024, from https://kimray.com/training/what-flash-separator