Tecnología Química
ISSN: 0041-8420
[email protected] Universidad de Oriente
Cuba
Reyes Yola, Oscar; Destrades Morales, Daniel; Aguilar Reyna, Adrián
PRÁCTICAS DE PRODUCCIÓN MÁS LIMPIAS PARA MITIGAR LA CONTAMINACIÓN DE LA DESTILERÍA HATUEY POR LA DESCARGA DE LA VINAZA DE LA
DESTILACIÓN ALCOHÓLICA
Tecnología Química, vol. XXV, núm. 2, mayo-agosto, 2005, pp. 66-70 Universidad de Oriente
Santiago de Cuba, Cuba
Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=445543747010
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PRÁCTICAS DE PRODUCCIÓN MÁS LIMPIAS PARA MITIGAR LA CONTAMINACIÓN DE LA DESTILERÍA HATUEY POR LA DESCARGA DE LA VINAZA DE LA
DESTILACIÓN ALCOHÓLICA
Oscar Reyes Yola, Daniel Destrades Morales, Adrián Aguilar Reyna Universidad de Oriente
Se muestran los resultados obtenidos para la mitigación de la contaminación de la bahía por la vinaza de la destilación alcohólica, evaluándose diferentes alternativas tecnológicas de produc- ción más limpia que propician la reducción del consumo de vapor de agotamiento, de los flujos de vinaza y del agua de enfriamiento empleada en el sistema de condensación del tope de la columna.
Palabras clave: producción más limpia, contaminación ambiental, vinaza.
In the present work the obtained results of the study for reduction of Santiago bay pollution are shown, using different technological alternatives based on cleaner production practices to reduce the water steam demand, the flows of vinasse generated and the cooling water for the condensation system at the column overhead.
Key words: cleaner production, pollution, vinasse.
Introducción
La Destilería Hatuey es una de las principales fuentes contaminantes de origen terrestre de la bahía santiaguera, debido al vertimiento de las aguas residuales y desechos del proceso de pro- ducción de alcoholes y aguardiente. La vinaza (mosto) de la destilación alcohólica es el desecho industrial de mayor agresividad contaminante que se genera en las destilerías de alcohol, provocan- do su descarga serios problemas de contamina- ción ambiental, la mitigación de los cuales se ha basado en el empleo de plantas de tratamiento de aguas residuales.
Estas plantas tienen los inconvenientes de transferir la contaminación de un lugar a otro, incrementar los costos de inversión de capital y de producción de cualquier fábrica, no lográndose alcanzar el grado de depuración requerido para la debida protección medioambiental.
En el presente trabajo, para la mitigación de la contaminación por la descarga de la vinaza de la destilación alcohólica, se utilizarán prácticas de producción más limpias basadas en una estrategia preventiva.
En consecuencia, el objetivo que se propone alcanzar es el siguiente:
Analizar diferentes alternativas tecnológicas para la reducción de los flujos de vinaza y de vapor de agotamiento en la columna de destila- ción de aguardiente.
Fundamentación teórica
En la evolución mundial de las tecnologías de protección del medio ambiente se han empleado diferentes estrategias de solución de los proble- mas ambientales, las que han transitado por dife- rentes estadios /2/, siendo las más recientes las tecnologías de producción muy limpias y la ecología industrial. /1,11/
La producción más limpia es un concepto que implica la prevención de la contaminación y el uso eficiente y conservación de las materias primas y auxiliares, que conduce a la explotación óptima de los recursos; significa la aplicación continua de una estrategia ambiental integrada y preventiva aplicada a los procesos, productos y servicios para incrementar la ecoeficiencia y reducir los riesgos humanos y naturales. /4/
Para los procesos productivos, la producción más limpia incluye, además de la conservación de las materias primas, auxiliares y la energía, la eliminación de materias primas tóxicas, así como
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la reducción de la cantidad y toxicidad de todas las emisiones y desechos antes de salir del proceso;
prácticas como las de minimización, reducción de desechos en la fuente, modificación de procesos y reúso interno de desechos.
El objeto de la presente investigación lo cons- tituye el proceso de producción de aguardiente en la Destilería Hatuey, relacionándose el campo de acción de la misma con las prácticas de produc- ción más limpias, siendo su objeto de estudio la columna de aguardiente donde se genera la vinaza de la destilación alcohólica. A continuación se presenta el esquema de la instalación existente.
Planteando las ecuaciones de balance de masa total y de energía para la envolvente (FVML0G), y un balance de alcohol para el sistema (FVMD) se tienen las siguientes expresiones:
B.T.M: WF + WV + WLo = WG + WM (1) B.E : WF hF + WVhV + WLohLo = WGhG + WMhM (2) B.A: WFXF = WDXD + WM XM (3) Para la envolvente (GL0D), correspondiente al sistema de condensación de la columna, el balan- ce de masa total sería:
WG = WLo + WD (4) Simultaneando las ecuaciones 1, 2 y 4 se pueden estimar los valores de los flujos de vapor y vinaza, y sustituyendo luego en la ecuación 3 se calcula la fracción de alcohol de esta corriente.
El poder contaminante de la vinaza se calculará mediante la expresión siguiente: /5/
P.E = (C.O) /( E.P) (5)
Métodos utilizados y condiciones experimentales
El análisis de alternativas para reducir el im- pacto contaminante producido por el vertimiento de la vinaza de la destilación alcohólica se realiza- rá con un algoritmo /13/, que permite la determi- nación de las áreas de oportunidad y la solución más ecoeficiente de los problemas detectados.
La caracterización física y química realizada por el Centro de Investigaciones Marina y de Bahías /12/, confirma que la vinaza resulta el
desecho de mayor agresividad contaminante. Para la realización de los cálculos se utilizó un nivel de producción de 1 500 L/h de aguardiente a 75 0 GL . Las temperaturas de las corrientes de vino, vinaza y de aguardiente son iguales a 60, 105 y 80 0C, respectivamente. El contenido de alcohol del vino alimentado es de 5 0 GL.
Los valores de las propiedades físicas tales como:? , Cp, fueron estimados mediante /6,8,9,10/.
La presión absoluta del vapor de agua de despojamiento es de 0,17 MPa. Las entalpias fueron calculadas tomando como estado de refe- rencia 0 0C y 0,101 3 MPa , mediante tablas o gráficos. /6,10/
Análisis de resultados
La estrategia empleada para la disminución de la carga contaminante de la vinaza se basa en la reducción del flujo de dicha corriente y del vapor de agotamiento utilizado como fuente de energía.
Con este propósito se calcularon los flujos de vinaza y de vapor, las pérdidas de alcohol y las cargas contaminantes resultantes del vertimiento de la vinaza, correspondientes a la producción de aguardiente a 76 0 GL de 1 500 L/h para una relación de reflujo de Lo/D=1 según la carta tecnológica existente.
Planteando y simultaneando las ecuaciones de balance de masa y energía 1, 2, 3 y 4, los valores de los parámetros señalados serían los siguientes:
WV1 =2 897,12 kg/h; WM1 = 21 765,12 kg/h;
XM1 = 0,2 %; PE = 243 416 personas El valor obtenido de la población equivalente (PE) indica que el flujo de la corriente de vinaza vertido a un cuerpo de agua receptor provocaría un nivel de contaminación similar al que produci- rían 243 416 personas.
Alternativa de ahorro energético en la columna de destilación de aguardiente
Teniendo en cuenta la diferencia existente entre la temperatura del vino alimentado (60 0C) y la que debe tener el plato de alimentación (95 0C), se decidió analizar la posibilidad de aprovechar la ener-
gía térmica de la corriente de vinaza, cuya tem- pe ratura es de 105 0C, para calentar el vino hasta 90 0C.
Utilizando las mismas ecuaciones de balances de energía, de masa total y de alcohol ya señala- das, se obtuvieron los siguientes valores de los parámetros estimados:
WV2 =1 742,25 kg/h; WM2 =20 620,25 kg/h;
XM2 =0,22 %; PE = 230 791 personas Comparando los resultados obtenidos en las condiciones de operación de la columna de desti- lación de aguardiente y en la modificada, puede apreciarse que se han reducido los flujos de las corrientes de vapor de agotamiento y de vinaza en 39,9 y 5,31 %, y la población equivalente de esta última se redujo en 5,31 %, siendo menor el impacto contaminante provocado.
El flujo de vapor ahorrado corresponde a un ahorro de petróleo combustible equivalente de 2,46 t/d, lo que representa un ahorro de 157,31$
USD/d, considerando que la eficiencia del gene- rador de vapor es 75 % y que el valor calórico superior del petróleo utilizado y su precio de costo son 9 515 kcal/kg y 64 $ USD/t; la pérdida de alcohol en la corriente de desecho se mantiene en el mismo rango que en el caso anterior.
Estos resultados son sumamente importantes, pues están en correspondencia con las prácticas de producción más limpias en cuanto al ahorro de energía, a la reducción de desechos y del impacto contaminante que produce su vertimiento sin usar métodos convencionales de tratamiento y la re- ducción de pérdidas de productos terminados.
Alternativa de modificación del sistema de condensación de la columna de destilación de aguardiente
De acuerdo con los resultados obtenidos en la alternativa anterior, se consideró conveniente ana- lizar la posibilidad de utilizar la corriente de vino para la condensación del vapor de aguardiente que asciende por el tope de la columna de desti- lación de aguardiente /1,7/, y así de este modo ahorrar agua de enfriamiento y vapor de agua para el agotamiento del vino alimentado.
Considerando el sistema de condensación del
tope de la columna de destilación (fig. 1) como un condensador total y planteando un balance de energía, se tiene que:
WG (hLo – hG) = - WF Cp(TS – Te) = - WF CpF (TS – 34) (6)
Fig. 1 Columna de destilación de aguardiente.
Suponiendo TS = 70 0C y sustituyendo valores en (6) y calculando; TS = 70,2 0C; por tanto puede considerarse que la temperatura de salida del vino será de 70 0C. Utilizando el algoritmo ya conoci- do, con las ecuaciones 1, 2, 3 y 4 para esta situación, se calculan los valores correspondien- tes de los flujos de las corrientes de vapor y de vinaza, y de la pérdida de alcohol en ésta, obteniéndose los resultados siguientes:
WV3 =2 646,13 kg/h; WM3 = 21 514,13 kg/h;
XM3= 0,21 %; P.E.= 240 800 personas.
Como se puede apreciar, los valores de los flujos de las corrientes de vapor y de mosto disminuyen con respecto a los valores de dichas corrientes en las condiciones de la norma, siendo los porcentajes de reducción iguales a 8,7 y 1,15 %, respectivamente. Con estos resultados se consideró conveniente analizar el efecto que produciría la alternativa consistente en el calentamiento del vino alimentado hasta 70 0C con el vapor proce- dente del tope de la columna, y luego con la vinaza hasta 95 0C.
Planteando la ecuación de balance de energía
F F
E Lo G
S W Cp
h h
T W ( )
34 − −
=
considerando un 5 % de pérdida de energía térmi- ca resulta que:
WM = (7)
Sustituyendo valores y calculando, WM4 = 19 342,7 kg/h de aquí, mediante (1),
WV4 = 1 492,72 kg/h; XF4 = 0,23 % y PE = 216 324 personas.
Las reducciones de los valores de las corrien- tes de vinaza y vapor corresponden a 11,13 % y 48,47 %, respectivamente, considerándose ambos resultados satisfactorios, obteniéndose un ahorro de combustible (petróleo cubano) de 2,9 t/d, equivalen- te a un ahorro de 185,6 $ USD/d.
Se calculó el ahorro de agua de enfriamiento para el sistema de condensación modificado del tope de la columna de aguardiente, siendo el mismo igual a 93 %, resultando de gran valor práctico este ahorro por la escasez de agua que existe en Santiago de Cuba; de aquí la posibilidad de la conservación y uso eficiente sostenible de tan importante recurso natural.
De este modo queda demostrado que la vía más efectiva de abordar la solución de la contami- nación ambiental en el caso dado, consiste en reducir, eliminar, hasta donde sea posible, la ge- neración de los contaminantes para así evitar su transferencia al medio ambiente, así como en la conservación y uso sostenible de las materias primas y auxiliares y de la energía en cualquiera de sus formas.
Conclusiones
Las diferentes alternativas analizadas para la reducción del impacto contaminante por la des- carga de la vinaza generada, demuestran que la más conveniente resultó la utilización del vino alimentado a la columna como medio de conden- sación, y el aprovechamiento de la energía térmi- ca de la vinaza para su calentamiento hasta la temperatura del plato de alimentación de la co- lumna; y que la conservación y uso sostenible de la energía térmica y de las materias primas y auxiliares empleados en la producción de aguar- diente contribuyen de forma eficaz a la reducción
del impacto contaminante provocado por la des- carga de la vinaza.
Nomenclatura
D,F,G,Lo,M,V corrientes de aguardiente pro- ducido, vino alimentado, vapor de aguardiente, aguardiente reflujado, vinaza y vapor de agota- miento vinculadas a la columna de destilación de aguardiente respectivamente
Gi, Li corrientes de vapor y de aguardiente líquido en el sistema de condensación Cp calor específico, kcal/kg oC
hi entalpias de las corrientes respectivas, kcal/kg
Qi flujo volumétrico de la corriente en cuestión, m3/h
Qc flujo de calor de condensación del vapor de aguardiente, kcal/h
Ti temperaturas correspondientes, 0C Wi flujos másicos de las corrientes involucradas, kg/h
X fracción másica de alcohol en las corrientes ρ densidad kg/m3
calor de condensación (kcal/kg)
0GL grados Gay Lussac, % en volumen V.C.S. valor calórico superior del petróleo com bustible, kcal/kg
D.B.05 demanda bioquímica de oxígeno al cabo de 5 d, kg/m3
C.0 carga orgánica contaminante, kg/h E.P equivalente poblacional, kg/ persona.d P.E población equivalente, personas
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) (
. 95 , 0
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Me M S M P
Fe FS F F
T T C
T T Cp W
−
−
−
λ0
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