Estado del arte de la deshidratación de etanol.

La destilación aplicada a la obtención de etanol anhidro es tan antigua como la de los mismos combustibles de origen fósil y los motores de combustión interna. Henry Ford

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15 como combustible. De 1920 a 1924, la Standard Oil Company comercializó un 25 % de etanol en la gasolina vendida en el área de Baltimore. Sin embargo, los elevados precios del maíz, junto con las dificultades de almacenamiento y transporte, hicieron abandonar el proyecto [7].

A finales de la década de los veinte y durante la década de los treinta, se hicieron esfuerzos para recuperar sin éxito esta iniciativa. A raíz de esta decaída en la utilización del etanol, Henry Ford y diversos expertos unieron fuerzas para promover su recuperación. Se construyó una planta de fermentación en Atchinson (Kansas) con un potencial para producir 38,000 litros diarios de etanol para automóviles. Durante los años treinta, más de 2,000 estaciones de servicio en el mediano oeste vendieron este etanol hecho de maíz al que denominaron “gasol”. No obstante, la competencia de los bajos precios del petróleo obligó al cierre de la planta de producción de etanol a mediados de los años cuarenta. Como consecuencia, se acabó el negocio de los granjeros americanos y el etanol fue sustituido definitivamente por el petróleo [7].

Para reducir la producción de contaminantes generados por uso de combustibles fósiles, sobre todo en el uso de los automóviles, se plantea como una de las alternativas es el uso del etanol como combustible o aditivo oxigenante para la gasolina. Esta tecnología es dominada principalmente por brasil y E.U.A. quienes son los mayores productores de etanol, entre otros [8][9].

Las investigaciones relacionadas con la producción de etanol se enfocan a varios temas como son: la materia prima para producir etanol, la predicción del equilibrio de fases de la mezcla etanol – agua - separador, el desarrollo de secuencias de proceso para producir etanol anhidro, la selección de agentes separadores y el desarrollo de estructuras de control eficientes para el proceso de deshidratación.

La materia prima de donde se puede obtener el etanol es materia vegetal con alto contenido de sacarosa, almidón o celulosa. Estas sustancias son abundantes en vegetales como la caña de azúcar, remolacha, maíz, papa, residuos agrícolas, etc., estas investigaciones son principalmente a nivel local, para aprovechar desperdicio de materia vegetal o para explotar un cultivo que es abundante en alguna localidad en particular [8] [9] [10] [11].

Otros proyectos están enfocados al desarrollo de técnicas para la deshidratación del etanol como la destilación azeotrópica heterogénea, la pervaporación y separación con sales [12].

En el caso especifico de la destilación azeotrópica heterogénea, que es nuestro tema de estudio, las investigaciones son acerca de los diferentes agentes separadores existentes analizando sus capacidades de separación con diferentes mezclas azeotrópicas especificas y la concentración optima de este, el benceno, ciclohexano, glicerol, Acetato de etilo, entre otros [13] [14].

En el trabajo de Meirelles [15], se relata la investigación sobre destilación extractiva, utiliza una planta piloto para producir etanol anhidro, donde se obtiene los perfiles de concentraciones a diferentes concentraciones de alimentación del separador y razones de reflujo, de una destilación extractiva utilizando etilenglicol como agente separador.

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Complementa sus resultados con una simulación utilizando la ecuación NRTL para describir el equilibrio de fases, produciendo etanol con una pureza de 99.5% mol.

Müller [16] en su estudio separa la mezcla de etanol-agua utilizando como separador al ciclohexano, explicando que el proceso es altamente sensible a perturbaciones en los parámetros del proceso, realizando un análisis dinámico a través de un modelado, simulación y estudios experimentales.

En otro estudio de Müller [17] se verifica de forma experimental la existencia de múltiples estados estables en la destilación azeotrópica heterogénea, implementando una deshidratación de etanol usando también el ciclohexano como separador.

Beckley [18] compara un conjunto de secuencias para deshidratar etanol por una destilación azeotrópica heterogénea usando el benceno como separador con el apoyo del software ASPEN PLUS llamado Distil y otro llamado Hysys, con el objetivo de validar un procedimiento para realizar comparaciones preliminares, de estas secuencias, la primera de dos columnas y la segunda de tres columnas, los parámetros para la comparación fueron el número de platos y un factor que toma en cuenta el caudal de vapor total del sistema.

Dentro del área de estudio del equilibrio de fases se encuentra el trabajo de Fang-Zhi et al [19] donde discute cómo predecir el equilibrio vapor-liquido (VLE) y Vapor- Liquido- Liquido (VLLE) de una destilación azeotrópica heterogénea de una forma mas precisa y propone un algoritmo de simulación de una destilación de tres fases.

El control del proceso de destilación azeotrópica heterogénea es un tema bastante extenso, principalmente por el interés en la complejidad del proceso por su sensibilidad a perturbaciones pequeñas, por lo que un control eficiente es un tema de estudio importante. Como se explica por ejemplo en:

El trabajo de Chien [20] explica la complejidad del control de una destilación azeotrópica heterogénea y estudia de forma experimental las estrategias de control convencionales para una columna de destilación azeotrópica heterogénea equivalente a la de la separación del etanol.

Dentro del control convencional también encontramos el trabajo de Gil [21] en el cual se realiza el control proporcional de una columna, controlando el acumulador de reflujo y el re hervidor. Usando el criterio de pendiente, análisis de sensibilidad y descomposición. Otros trabajos están enfocados a la búsqueda de las variables mas importantes a controlar como el estudio de Rovaglio et al [22], donde se controla una destilación azeotrópica heterogénea para deshidratar etanol, considera que la cantidad de separador y el perfil de composición son críticos para un control estable, utiliza el benceno como separador. Y en la patente de Shinskey [23] donde realiza el control de dos columnas de destilación, una produce un etanol azeotrópico a una concentración preestablecida que es tratada en la segunda columna, donde se controla la temperatura y el control de flujo de producto, para controlar la cantidad de separador en la mezcla.

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17 Un control mas elaborado se aborda en trabajos como el de Cristea et al [24] quien presenta una alternativa aproximada al control predictivo no lineal basada en una linealización iterativa de la respuesta del modelo, de manera que las respuestas en lazo cerrado sean las mismas que las obtenidas con el método no lineal pero con un tiempo de cálculo mucho menor, implementado en un proceso de destilación de etanol. Y el de Rovaglio [25] considera que la concentración del separador y el perfil de composición son elementos críticos para mantener la calidad del producto y plantea el desarrollo de una estructura avanzada de control basada en una estrategia de realimentación no lineal hacia delante, este desarrollo está basado en un modelo dinámico riguroso para el caso de la deshidratación del etanol con el benceno como separador.

Por ultimo Luyben en [1], nos presenta una simulación dinámica de un proceso de destilación azeotrópica heterogénea para obtener etanol anhidro utilizando el modelo de equilibrio UNIQUAC, proporcionando un diagrama de flujo del proceso, la configuración del equipo y una breve descripción de los lazos de control.

Sin embargo, la mayoría concluye en prácticamente lo mismo, el proceso de destilación de etanol anhidro es una tarea compleja, donde la concentración del agente separador, encargado de romper o mover el azeotrópo, es uno de los principales problemas de control, provocando una alta sensibilidad de proceso; que la separación de la mezcla etanol-agua-benceno presenta multiplicidad de estados, confirmados por simulación, de forma matemática (de acuerdo al análisis matemático de la termodinámica de la mezcla [26]) y de forma experimental.

Estos trabajos son solo parte de las publicaciones encontradas, en general se puede concluir que la simulación del proceso de producción de etanol anhidro por destilación azeotrópica heterogénea es una tarea complicada, por presentar un comportamiento altamente sensible y multiplicidad de estados. Y por lo tanto el establecimiento de una estructura de control es un problema desafiante.

Así también, el desarrollo de una secuencia de proceso es muy complejo y requiere de conocimientos avanzados sobre procesos químicos y termodinámicos. Por esta razón se elige una secuencia de proceso ya desarrollada, con el fin de enfocar nuestros esfuerzos al desarrollo de técnicas de control más complejas.

Por lo tanto, las referencias que arrogan información importante para nuestro proyecto son:

Luyben [1], donde se proporciona mucha información sobre una secuencia de proceso para producir etanol anhidro por destilación azeotrópica heterogénea utilizando al benceno como separador.

Brandani [30], donde se proporciona información suficiente para validar el modelo de equilibrio de fases que se utilice en la simulación del proceso.

Stephanopoulos [35], que contiene la teoría necesaria para configurar controladores. Garduño [36], Driankov [37] y Wang [38], con la teoría necesaria para desarrollar un modelo de un controlador avanzado como es un controlador difuso normalizado.

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Y adicionalmente, la información necesaria para poder utilizar eficientemente a la suite de ingeniería de Aspen™, que puede ser encontrada en los múltiples manuales de usuario de los paquetes que la integran.

Por todo lo anterior, se puede decir que el presente trabajo se ubica en el estudio del problema de control que representa el proceso de producción de etanol anhidro por destilación azeotrópica heterogénea utilizando al benceno como separador, implementando una técnica avanzada de control; como es el control por lógica difusa.