14/ OBTENCIÓN DE BIOETANOL ANHIDRO POR DESTILACIÓN
EXTRACTIVA CON GLICEROL
Cipriano Mendoza Rojas y Bernardo López Enciso.
RESUMEN
El bioetanol anhidro tiene diversas aplicaciones en muchos campos tales como en la industria química, farmacéutica, alimentaria, electrónica y últimamente se incrementó su uso como combustible en la forma anhidro. Para su aplicación debe cumplir ciertas restricciones en cuanto a su cantidad y calidad mayor a 99 % en peso (w/w) de etanol y con mínimo contenido de agua. Para obtener etanol anhidro por encima de su punto azeotropico (95,5 % w/w), existen muchas tecnologías desarrolladas para romper el punto azeotropico, y desde punto de vista energético y operación estas tecnologías son caras. En el presente trabajo se muestra los resultados de obtención de bioetanol anhidro de 98,20 % w/w (99 % v/v), empleando una columna de destilación convencional mediante la implementación de una tobera difusor instalado en la sección de rectificación de la columna y el glicerol como solvente extractor. La operación de destilación continua se realizó con un equipo experimental diseñado y construido a nivel planta piloto para una relación de reflujo de 2,0 y con una alimentación de la mezcla hidroalcoholica que varía su concentración alrededor del punto azeotropico en el rango de 90 a 93 % en peso (w/w). Los resultados experimentales se validó con datos de literatura y son muy próximos a 99,0 % w/w. El etanol obtenido es de alta calidad y sin contaminación. Resultados de destilación extractiva con glicerol muestran una concentración de 96,5 % de etanol, valor muy inferior a 99,3 % w/w (99,3% v/v).
ABSTRACT
The anhydrous bioetanol has diverse applications in many fields such as the chemical,pharmaceutical,food,electronic industry and lately his use as fuel grew up in the anhydrous form. For their applications there some restrictions to his quantity and quality more than 99 % w/w. To obtain anhydrous ethanol over zeotropico point exist several technologies developed to break the azeotropic point,and these technologies are expensive from energy and operation point of view.The present research show the results of the obtaining of anhydrous bio ethanol of 98,20 % w/w ( = 99 % v/v) using nozzle in the rectify section of the column and glycerol as extractive solvent. The experiments was run in an experimental equipment designed and constructed at pilot pilot scale with a reflux ratio of 2,0 and feed mixture's hydro ethanol with concentration around of 90 and 93 % w/w. The results are compared with literature date and it is very proximately to 99,3 % v/v. The ethanol obtained is high quality and without contamination. Results with extractive destilaation using glycerol as solvent, show the concentration of ethanol of the 96,5 % w/w (= 97,8 %v/v), value very low to 99,3% w/w.
INTRODUCCIÓN
El bioetanol anhidro es ampliamente utilizado en industria química, farmacéutica, alimentaria, electrónica y últimamente su uso se ha incrementado como combustible anhidro para reducir la contaminación del ambiente. Para su aplicación debe cumplir ciertas restricciones en cuanto a cantidad y composición mayor de 99 % en volumen (v/v) y con mínima cantidad de agua. Brasil tiene una vasta experiencia en el uso de bioetanol en el sistema transporte, mezclando etanol con gasolina entre 20 a 25 % según la disponibilidad del etanol, para el caso peruano lo máximo que se llega es de 7 % , con tendencia de aumentar en el futuro según la disponibilidad de la producción del etanol a partir de caña de azúcar. Otros países que se han involucrado en el desarrollo y uso de biocombustibles son: Colombia. Argentina, Uruguay, Chile y últimamente el caso peruano.
El problema del uso de etanol para mezclar con la gasolina surge cuando hay la presencia del agua, porque el etanol de 95 por ciento molar es inmiscible en gasolina por su alto contenido del agua (KUMAR, S., 2010). Solo el etanol de 98.5 % molar es posible mezclar con la gasolina, para esto se requiriere un procedimiento adicional que es costoso en cuanto a energía y equipos, porque mediante procedimientos convencionales de destilación no es posible incrementar la concentración de etanol por encima de su punto azeotropico. En la literatura se describe muchas técnicas para la producción de etanol anhidro tales como: deshidratación de
etanol por destilación a vacío, destilación azeotropica, procesos de membranas y otros. Todos estos procesos han tenido aplicación industrial, pero por problemas de costos de operación y alto consumo de energía alguno de estos procesos dejaron de ser utilizados. Los procesos que actualmente están siendo utilizados a nivel industrial para la producción de bioetanol anhidro es la destilación extractiva con solventes y el proceso de absorción con zeolitas (caso peruano), sin embargo todo estos procesos siguen siendo caros en cuanto a su operación y consumo de energía (QUINTERO, J., 2007). La operación de destilación extractiva no es sencilla por problema de manejo de solventes extractivas como el etilen glicol que contamina al producto destilado y a su vez es toxico, en cambio el proceso de zeolitas no contamina el producto destilado, pero desde el punto de vista de consumo de energía es caro. Frente a este problema se ha explorado alternativas para modificar el comportamiento azeotropico de la mezcla etanol agua mediante la generación de un desequilibrio en la columna de destilación con la incorporación de una de una tobera en la columna de destilación, y la utilización del solvente extractiva glicerol por ser el solvente menos contaminante y barato (MENDOZA, C. 2010).
Para realizar este trabajo se ha modificado la columna de destilación para operar con solvente extractor glicerol y la tobera, este último se ha incorporado en la base de la sección de rectificación. Este dispositivo tiene la función de comprimir el vapor a través de garganta para acelerar la velocidad, produciendo un chorro de vapor que se expande
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originando la mayor vaporización del etanol por disminución de la presión de la salida de la tobera, este cambio de presión es lo que modifica el comportamiento del punto azeotropico con lo cual altera la volatilidad relativa. Cuando se emplea el solvente extractor como es la glicerina, la acción de este solvente, también es romper el punto azeotropico pero modifica el coeficiente actividad del etanol y agua. El propósito del trabajo es demostrar la factibilidad técnica de obtener etanol anhidro empleando solvente extractor glicerina, y la tobera.
Material: para la pruebas experimentales se emplea mezcla hidroalcoholica de etanol agua. El etanol que se emplea es alcohol industrial comercial de grado 96 ( 90 % v/v), que se rectifica en la columna de destilación batch para la preparación de la alimentación a diferentes concentración de la mezcla etanol agua. La concentración de la alimentación y destilado fue determinado utilizando picnómetro, lo que indirectamente a través de tablas se determina las concentraciones respectivas. De igual manera para una lectura directa de la concentración de la alimentación y destilado se ha requerido el uso de un alcoholímetro. Como solvente extractor se ha utilizado glicerol ligeramente contaminado con agua .
Metodología. Los experimentos de destilación fueron realizados en una unidad experimental previamente modificados en su diseño, la misma que está montado en los ambientes del laboratorio de Transferencia de Masa. El equipo está construido en acero inoxidable, calidad 304. El equipo está constituido de: 1) dos rehervidores externos (capacidad 10 litros cada uno) en cuyo interior se ensambla resistencias eléctrica de inmersión de potencia máxima de 5 kW, 2) un tanque separador liquido vapor de capacidad nominal de 30 litros y con volumen de operación de 20 litros, 3) una columna de relleno de 3 pulg OD de 1,20 metros de sección de agotamiento y de 30 cm de sección de rectificación, 4) Un condensador vertical, 5) un dispositivo de control de reflujo con válvula solenoide accionado por un temporizador fijado para una relación de reflujo constante 2,0 y 2,5, 6) un tanque externo para la alimentación del solvente extractor y para el presente experimento sirve para alimentar la solución hidroalcoholica y/o solvente extractor
El equipo además cuenta con sensores de temperatura para monitorear la temperatura a través de la columna. La columna también cuenta con una salida lateral como producto de reflujo. La unidad experimental cuenta con un tablero de control instalado en la misma estructura de la unidad de destilación.
glicerol, a través de una válvula.
La columna en su interior cuenta con anillos de relleno cerámico tipo Raching de 10 mm de diámetro. La unidad experimental se muestra en la Figura 1 y presenta las siguientes características de acuerdo a la Tabla 1.
La puesta en marcha y operación del equipo de destilación se realizó bajo tres condiciones: primero se lleva a cabo una operación de destilación batch con rectificacion para concentrar la mezcla hidroalcoholica, segundo se realiza una destilación continua con rectificacion para romper el azeotropo empleando la tobera y tercero es una operación batch empleando el solvente extractor glicerol. Se ha medido los diferentes perfiles de temperatura en el reboiler y en el tope de la columna, asi como el flujo de destilado y concentración, respectivamente para un flujo de alimentación y concentración definida. La tabla No 2 resume los diferentes modos de operación de la columna de destilación con rectificación, para una operación batch y continúa. Para el estudio se realizó cuatro ensayos de acuerdo al detalle de la tabla
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En la Tabla No 3 se muestra las condiciones de operación del destilación batch con reificación para una alimentación de 50 % w/w de concentración inicial en el reherbidor y una relación de reflujo de 2. Para esta condición, la máxima concentración que alcanza el producto de destilado es de 93 % w/w (peso), valor que coincide con los resultados de destilación industrial, sin embargo no se alcanzó la condición azeotropica de 95,5 % w/w.
Tabla 4 muestra los resultados de ensayo de destilación continua con rectificación para el ensayo 2 y 3 que utiliza boquilla con área de garganta de A1 = 25,7 mm2. El ensayo No 2 opera para una alimentación de la mezcla hidroalcoholica de concentración de 93 % w/w (peso) y cona una concentración inicial de 32,2 % w/w (peso) alimentado en el reherbidor, y el segundo ensayo opera con 90 % w/w de alimentación y de 42 % w/w de concentración de etanol en el reherbidor.
La Tabla 5 presenta los resultados de la destilación extractiva con glicerol para una operación batch con rectificación de reflujo 2,0 y alimentación en el rehervidor de 41 % de concentración de etanol. Los resultados muestran que la concentración de destilación alcanza una concentración de solo 96,5 % , valor ligeramente superior a la condición azeotropica. Este bajo resultado se justifica por emplear glicerol contaminado con agua. Para mejorar la concentración es necesario emplear glicerol puro. La concentración obtenida es una valor por muy debajo de 99,3 % w/w de acuerdo a los datos de literatura obtenidos con simulación. No se cuenta información experimental a nivel industrial
La Figura 2. muestra la evolucion de concentracion para los cuatro ensayos. De Figura se observa que concentracion del punto azeotropico corresponde a 95,5 % en peso, en cambio, la concentracion de tres ensayos esta por encima de la concentracion azeotropica, alcanzando para uno de los experimentos valores de 98,2 % w/w de concentracion en peso y comprando con la literatura es cercano a 90 %, w/w. Para el caso de destilacion extractiva la concentracion de destilado obtenido es de 96,5 % en peso, valor ligeramente superior a la concentracion azeotropica. En cambio con la destilacion concencional de batch con rectificacion se alcanza concentracion de 93 % en peso, valor inerior al de azeotropo.
CONCLUSIONES
2. Los resultados de la destilacion extractiva con glycerol no son bastante alentadores por obtener un destilado con concentracion de 96,5 % en peso (98 % v/v). Resultado que se que se corrobora con datos de literatura de simulacion de 99,3 % v/v para un destilacion extractiva con glicerol.
1. De los resultados se observa que es factible obtener etanol anhidro cercana a 99 % v/v empleando el dispositivo tobera para utilizar como combustible. La concentracion de la alimentacion debe ser cercana a su punto azeotropico (95.5 % w/w).
3. El resultado empleando el dispositivo tobera es bastante promisorio y es necesario seguir investigando para mejorar el diseño de la tobera y otros aspectos a fin de encontrar la tecnologia que se pueda adaptar a la produccion de etanol anhidro con fines biocarburantes y otros usos.
Mis agradecimientos va extensivo al taller electromecanico Hoger K. hansen”, por el apoyo economico para la construccion de la columna de destilacion. De igual manera agradezco a los estudiantes y personal tecnico deel taller y laboratorio de Operaciones Unitarias de la FIQ por su colasboracion durante los ensayos experimentales
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
QUINTERO, J., MONTOYA, M., SANCHES, J. (2007) Evaluación de la deshidratación de alcohol carburante mediante simulación de procesos. Facultad de Ciencias Agropecuarias. Vol No 2. Colombia. p. 72- 83.
KUMAR, S., SINGH, N. , PRASAD, R.. (2010) , Anhydrous ethanol: A renewable source of energy, Renewable and Sustainable Energy Reviews 14. p. 1830-1844.
MENDOZA, C- (2009) , Diseño y construcción de un destilador batch extractiva para obtener etanol anhidro. Informe final Oficina de Investigaciones Universidad Nacional de San Cristobal de Huamanga. Ayacucho-Perú
AGRADECIMIENTO
