Energy and Mass Balance Model Description

Energy and Mass Balance Model  1. Corn­to­Ethanol Production Process Overview    Based on the literature review and various web resources1, 2, we have prepared a  system diagram of the typical dry‐mill ethanol production process (as shown in Figure 1).  The basic steps include milling, mashing, cooking, liquefaction, saccharification,  fermentation, distillation/dehydration, solids separation, evaporation, and drying. If the  ethanol plant is taken as a single system, the overall inputs and outputs at the system  boundary is shown in Figure 2. The inputs are corn and water plus energy, while the  outputs are ethanol, solids (by‐products), wastewater, and CO2. In this chapter, detailed  analysis of energy and mass balance calculation for each step in the process is presented.      

    Figure 1. System diagram of typical dry‐mill corn‐to‐ethanol production process 

1

  Figure 2. Inputs and Outputs at the System Boundary 

 

 

2. Mass Balance Model      To resolve the material balance for the corn‐to‐ethanol plant, the unit operations of  the block flow diagram (BFD) must be defined3. Figure 3 shows the BFD of a typical  ethanol plant with all the basic steps included.    

  Figure 3. Mass Block Flow Diagram of Ethanol Production Process  2

 

For each of the block, the material balance is written as:    Material in = Material out            (2‐1)    or    M i = M o  (i = input; o = output)         (2‐2)    m

n

j =1

k =1

or    ∑ M i , j = ∑ M o , k                   (2‐3)    where j represents the type of material inputs with a total of m inputs, and k represents  the type of material outputs with a total of n outputs.     The mass balance calculation starts with corn inputs. Table 1 lists the composition of  corn3.      Table 1. Corn Composition  Component  Mass Content %  Water  15.0%  Starch  59.5%  Protein  7.7%  Oil  3.4%  Other  14.5%  Total  100%    The starch (the actual material that makes ethanol) is then mixed with water and  turns into glucose followed by fermentation and production of ethanol. The reaction  stoichiometry on a weight basis can be written as:    Starch + 0.1111 Water Æ 1.1111 Glucose            (2‐4)    Glucose Æ 0.4589 Ethanol + 0.4641 CO2 + 0.05 other    (2‐5)    Apparently, the yield of ethanol is a function of starch composition in corn,  conversion efficiency of starch to glucose, and conversion efficiency of glucose to  ethanol. Assuming a 100% efficiency for both conversion processes, the typical yield is  2.5 to 2.85 gallons ethanol per bushel corn3. In our model, we take the average value,  2.7 gal ethanol per bushel corn, as our corn‐to‐ethanol conversion rate. The CO2  emission profile can also be calculated from equations 2‐4 and 2‐5 with a given mass of  corn (or starch).      Based on the equations 2‐1 to 2‐5 and the process data and assumptions derived  from Mei et al.3, we have established an Excel‐based mass balance model for the corn‐ to‐ethanol production process. Figure 4 shows an example worksheet of the mass 

3

balance model. It demonstrates that with 1 kg input of corn, 2.68 kg water is needed,  and 0.32 kg ethanol and 0.33 kg DDGS can be produced with 0.31 kg CO2 emission and  2.72 kg wastewater discharge. It should be noted that this model assumes that no water  recycling technology is applied.    

 

Figure 4. Excel worksheet for the mass balance model  4

 

3. Energy Balance Model    The energy needs for ethanol production is of great concern, and the availability of  economical and reliable energy sources is essential for stable operation of the facility.  We have performed a literature review on the total energy consumption of the corn‐to‐ ethanol process, as listed in Table 2. The reported energy consumption varies  significantly from 40,850 to 75,118 Btu/gal, with an average of 53,750 Btu/gal.  Pimentel’s estimates is over 30,000 Btu/gal higher than Wang et al.’s estimate, and over  20,000 Btu/gal higher than the average value of the all the studies. This is because of  Pimentel’s inclusion of energy expended on capital equipment and energy for steel,  cement, and other materials used to construct the ethanol plant, components not  included in most of other studies. In this study, we used the average value from  literature, 53,750 Btu/gal, as the basis of our energy balance calculation.    Table 2. Total Energy Consumption for Corn‐to‐Ethanol Process  Literature  Ethanol Conversion Process (Btu/gal)  Pimentel and Patzek (2005)  54684  Pimentel (2001)  75118  Lorenz and Morris (1995)  53956  Wang et al. (1999)  40850  Shapouri et al. (2002)  51779  Mei et al. (2006)  46114  Average Total Energy Demand  53750 (Btu/gal) or 15.0 MJ/L    Generally, energy demand for an ethanol plant consists of thermal energy and  electricity. Thermal energy as steam is used for cooking, liquefaction, ethanol recovery  and dehydration. Natural gas thermal energy is used for dying and stillage processing.  Electricity is used for grinding and running electric motors. Figure 5 shows the diagram  of energy flow through the corn‐to‐ethanol plant.   

  Figure 5. Energy block flow diagram of ethanol production process  (Et – thermal energy, Ee – electricity energy)  5

 

A general energy balance equation for each individual block can be written as3:      Energy Input = Energy Output            (2‐6)    Or  ∑ E j + Q + W = ∑ E j                 (2‐7)  input streams

output streams

  where Ej represents the total rate of energy transported by the jth input or output  stream of a process, and Q and W are defined as the rate of flow of heat and work into  the process.     The energy balance calculation procedure is adapted from Mei et al3, and the  results are summarized in Table 3. For a ethanol conversion process, the majority of the  energy is used as thermal energy for cooking, liquefaction, distillation, and drying.  Electricity is mainly used for milling, distillation and drying processes.    Table 3. Energy Flow in Corn‐to‐Ethanol Process  Energy Flow  Thermal Energy (MJ/L)  Electricity Energy (MJ/L)  A ‐ Milling  0.21  0.10  C‐ Cooking/Liquefaction  2.81  0.06  D ‐ Fermentation  ‐  0.06  F ‐ Distillation  4.76  0.37  J ‐ Drying  6.22  0.41  Total  14.0  1.0   

4. Flash­Based Interactive Model    In this study, we have developed an interactive model integrating mass and energy  balance at the ethanol plant system boundary. Flash is a popular multimedia software  that can create animation and add interactivity to web pages. As shown in Figure 6, the  users of this Flash based model have two options to start the mass and energy balance  calculation by inputting either corn feed or ethanol plant capacity. For example, as  shown in Figure 6a, if the user chooses “Corn Feed” as the input method, a input text  box will show up and allow the user to type in the amount of corn that will be fed to the  plant. Then by clicking the “Run” button, the model will calculate and display the  amount of water and energy needed for the process, and the amount of ethanol and  DDGS will be produced, as well as the amount of wastewater and CO2 will be generated  and emitted, if no controls are installed. Similarly, as shown in Figure 6b, if the user  chooses “Plant Capacity” as the input method, after typing in the amount of ethanol  that a plant is expected to produce, the model will calculate and display the amount of  corn, water, and energy that are needed, as well as the amount of co‐products and  emissions. The user friendly interface and the interactive feature make this model a 

6

handy tool for researchers, plant managers, policy makers, and the public to understand  the overall energy and environmental impact of ethanol production process. 

(a)

        

 

(b)

 

 

Figure 6. Flash‐Based Interactive Model on Energy and Mass Balance – Calculation  Based on (a) Corn Feed and (b) Ethanol Plant Capacity 

7

References 

 

  1. ICM, Inc. http://www.icminc.com/ethanol/production_process 2. National Corn-to-Ethanol Research Center. http://www.siue.edu/ETHANOL 3. Mei, F.; Dudukovic, M.; Evans, M.; Carpenter, N. Mass and Energy Balance for a Corn-To-Ethanol Plant. Washington University in St. Louis, 2005.  

8