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Solvente extractor
La destilación extractiva se ha estudiado y aplicado en la deshidratación y recuperación completa del etanol. La ventaja que presenta esta técnica respecto de la destilación azeotrópica, utilizada por mucho tiempo, radica en que el etanol obtenido no contiene trazas del agente de separación, lo que amplía su utilidad a productos alimenticios y farmacéuticos. Además, las características del agente de separación hacen que su búsqueda sea menos dispendiosa y restringida que en el caso de la destilación azeotrópica.
Una gran variedad de solventes que modifican la forma de la curva del equilibrio líquido- vapor y eliminan el azeótropo han sido evaluados, entre los cuales se encuentran algunos glicoles, aminas, fenoles hidrofóbicos, parafinas, tiofenos y otros (Lee, 1985).
El solvente altera de manera conveniente las volatilidades relativas de los componentes de la mezcla, por tal razón debe tener baja volatilidad, para asegurar su permanencia en la fase líquida; además, garantizar el contacto con la mezcla a lo largo de toda la columna debe tener un punto de ebullición superior al de los componentes a separar y se debe adicionar en una de las etapas cercanas al condensador por encima de la etapa de mezcla azeotrópica.[44]
En el presente trabajo, el solvente elegido fue la glicerina ya que responde a las características necesarias para llevar a cabo la separación. El punto de autoignición es de 370°C [68] [69] , valor que se encuentra lejano en el rango de trabajo.
En contraste, se planteó la resolución del sistema con etilenglicol como solvente.
Diseño de torres ideales
Para el diseño de las torres se utilizó el software UniSim Design Suite 390.1 definiendo el mismo paquete termodinámico planteado en capítulos anteriores (General NTRL). Luego, se armó el esquema que puede observarse en la Figura 6.1 el cual se detalla a continuación.
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Figura 6.1: Esquema del sistema de separación.
En el diseño de la primera torre se planteó como objetivo el alcanzar lo más cercano en el destilado la composición azeotrópica [70]. Debe señalarse que una primera instancia se implementó un sistema que no incluía un intercambiador de calor a la entrada de la primera torre y que luego de la convergencia del mismo fue agregado para mayor aprovechamiento del calor en el sistema. Tomando los datos presentes en la Tabla 6.1 fue posible que el sistema converja.
Tabla 6.1: Datos pertenecientes a la configuración de la 1er Torre.
Corriente: A= Alimentación
Temperatura (ºC) 34,43
Presión (kPa) 101,3
Flujo Másico (kg/h) 287.808
Composición(%P/P)
Etanol 6,66 %
Sacarosa 0,15 %
Agua 93,19 %
91 Torre N°1 - Columna Azeotrópica
Nº de etapas (sin contar condensador ni
reboiler) 30
Entradas de corrientes A = Etapa 23
P reboiler (kPa) 101,3
P condensador (kPa) 101,3
Variables controlantes Relación de Reflujo, composición de etanol en corriente de destilado
Relación de Reflujo 3,3
Composición de etanol en destilado (Frac.
másica)
0,94
La segunda torre fue diseñada con el objetivo de alcanzar las especificaciones del producto utilizando glicerina como solvente. Esta torre cuenta con dos entradas siendo las mismas el destilado proveniente de la primera torre y la alimentación del solvente. En esta torre se utilizaron los datos de la Tabla 6.2 para alcanzar los requerimientos de composición en el producto. Para la resolución del sistema se supuso una entrada de solvente puro en una primera instancia y luego se reemplazó por la composición obtenida como resultado del reciclo planteado.
Tabla 6.2: Datos pertenecientes a la configuración de la 2da Torre
Torre N°2 - Columna Extractiva Nº de etapas (sin contar condensador ni
reboiler) 30
Entradas de corrientes S1 = Etapa 2; D1= Etapa 29
P reboiler (kPa) 101,3
P condensador (kPa) 101,3
Variables controlantes Relación de Reflujo, composición de etanol en corriente de destilado
Relación de Reflujo 2
Composición de etanol en corriente de
destilado (Frac. volumétrica) 0,99
92 Corriente: S1=Solvente
Temperatura(ºC) 32,78
Presión (kPa) 101,3
Caudal Másico (kg/h) 15.000
Composición inicial: fracción másica de Glicerina
1
La tercera torre fue diseñada con el objetivo de recuperar el solvente extractor. Por lo cual, dicha torre se construyó utilizando como entrada el fondo de la segunda torre. Como la temperatura de degradación de la glicerina es 290 °C [68], si se trabaja a 101,3 kPa, se alcanza dicha temperatura. Es por eso, que se decidió bajar la presión a la que opera la torre hasta 10 kPa, de manera que la temperatura a la que llega el producto de fondo es 213,9 °C. Se tomaron los datos presentes en la Tabla 6.3 para una convergencia del sistema.
Tabla 6.3: Datos pertenecientes a la configuración de la 3er Torre.
Torre N°3 - Columna de recuperación del Solvente extractor Nº de etapas (sin contar condensador ni
reboiler) 10
Entradas de corrientes F2 = Etapa 10
P reboiler (kPa) 10
P condensador (kPa) 10
Variables controlantes Relación de Reflujo, corriente de agua en el destilado
Relación de Reflujo 1
Flujo de destilado (kg/h) 992
Luego de este sistema la corriente de fondo (F3) se recircula. Eliminando la condición inicial de composición de solvente extractor en la entrada de la segunda torre, la composición de la corriente de salida de F3 queda como se muestra en la Tabla 6.4.
Tabla 6.4: composición de corriente de salida de mezclador.
Composición másica de corriente de Solvente S1
Agua 0,0002
Glicerina 0,9998
93 En la Figura 6.2 se muestra en un esquema simplificado los resultados obtenidos para cuando se define el sistema de destilación tal como se ha mencionado anteriormente.
Figura 6.2: Esquema simplificado de torres utilizadas para el proceso de destilación. Las composiciones están expresadas en fracción másica. Con RR: relación de reflujo molar.
Cambio de solvente extractor
Se realizará también un análisis similar al anterior utilizando etilenglicol como solvente extractor para verificar cuál de los dos es el mejor para llevar a cabo la separación del producto.
Para este caso, el esquema utilizado fue el que se muestra en la Figura 6.3.
Figura 6.3: Esquema del sistema de separación.
94 Al igual que para el caso en que se utilizó glicerina, en la torre 1 se trató de llegar lo más cerca posible a la composición azeotrópica. Se tomaron los datos de la Tabla 6.5 para la convergencia del sistema.
Tabla 6.5: Datos pertenecientes a la configuración de la 1er Torre.
Corriente: A= Alimentación
Temperatura (ºC) 43,41
Presión (kPa) 101,3
Flujo Másico (kg/h) 287.808
Composición(%P/P)
Etanol 6,66 %
Sacarosa 0,15 %
Agua 93,19 %
Torre N°1 - Columna Azeotrópica Nº de etapas (sin contar condensador ni
reboiler) 30
Entradas de corrientes A = Etapa 23
P reboiler (kPa) 101,3
P condensador (kPa) 101,3
Variables controlantes Relación de Reflujo, composición de etanol en corriente de destilado
Relación de Reflujo 3,3
Composición de etanol en destilado (Frac.
másica)
0,94
De la misma manera que en el sistema con glicerina, la segunda torre fue diseñada con el objetivo de alcanzar las especificaciones del producto utilizando etilenglicol como solvente. Esta torre cuenta con dos entradas siendo las mismas el destilado proveniente de la primer torre y la alimentación del solvente. En esta torre se utilizaron los datos de la Tabla 6.6 para alcanzar los requerimientos de composición en el producto. Para la resolución del sistema se supuso una entrada de solvente puro en una primera instancia y luego se reemplazó por la composición obtenida como resultado del reciclo planteado.
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Tabla 6.6: Datos pertenecientes a la configuración de la 2da Torre
Torre N°2 - Columna Extractiva Nº de etapas (sin contar condensador ni
reboiler) 30
Entradas de corrientes S1 = Etapa 3; D1= Etapa 22
P reboiler (kPa) 101,3
P condensador (kPa) 101,3
Variables controlantes Relación de Reflujo, composición de etanol en corriente de destilado
Relación de Reflujo 3,2
Composición de etanol en corriente de
destilado (Frac. volumétrica) 0,99
Corriente: S1=Solvente
Temperatura (ºC) 78
Presión (kPa) 101,3
Caudal Másico (kg/h) 50.000
Composición inicial: fracción másica de Etilenglicol
1
Al igual que antes, la tercera torre está destinada a la recuperación del etilenglicol para reponer la menor cantidad posible. La alimentación a esta torre es el fondo de la segunda. Para la convergencia del sistema se utilizaron los datos de la Tabla 6.7.
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Tabla 6.7: Datos pertenecientes a la configuración de la 3er Torre.
Torre N°3 - Columna de recuperación del Solvente extractor Nº de etapas (sin contar condensador ni
reboiler) 20
Entradas de corrientes F2 = Etapa 20
P reboiler (kPa) 101,3
P condensador (kPa) 101,3
Variables controlantes Relación de Reflujo, composición de etanol en corriente de destilado
Relación de Reflujo 1
Composición de etilenglicol en corriente de
fondo (Frac. másica) 0,9991
Luego de este sistema, la corriente de fondo (F3) llega a un mezclador donde es alimentado por la corriente de solvente recirculado y una corriente de reposición de solvente puro, esto es necesario debido a que en el proceso se pierden alrededor de 6 kg/h y puede hacer al sistema inestable. En el caso de la glicerina, no se perdía prácticamente solvente, por lo que no fue necesario agregar esta corriente. Con los datos de la Tabla 6.7 y la corriente de solvente puro, puede conocerse la composición de la corriente S1, la cual se muestra en la Tabla 6.8.
Tabla 6.8: composición de corriente de salida de mezclador.
Composición másica de corriente de Solvente S1
Agua 0,0009
Etilenglicol 0,9991
En la Figura 6.4, se muestra al igual que en el caso de la glicerina un esquema simplificado con las corrientes y los calores.
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Figura 6.4: Esquema simplificado de torres utilizadas para el proceso de destilación con etilenglicol. Las composiciones están expresadas en fracción másica. Con RR: relación de reflujo molar.
Comparación
En la Tabla 6.9, se muestran los calores a intercambiar en total en los reboilers y en los condensadores para cada caso, también se compara la cantidad de solvente a utilizar.
Tabla 6.9: comparación de solventes.
Solvente extractor Q reboilers (kW) Q condensadores (kW)
Caudal de solvente extractor necesario
(kg/h)
Glicerina 61.040 37.614 15.000
Etilenglicol 66.461 43.030 50.000
Además de la comparación realizada en la Tabla 6.9, se debe tener en cuenta que para el caso de la glicerina, la torre de recuperación de solvente consta de 10 etapas, mientras que para el caso de etilenglicol es de 20.
Es importante considerar que la glicerina es un subproducto de la industria del biodiesel por lo que su precio de venta es relativamente bajo en Argentina. Sumado al hecho de que consume menos energía y caudal, resulta la opción más viable económicamente.
Otro aspecto a considerar es que el etilenglicol es tóxico a diferencia de la glicerina que no lo es.
Diseño definitivo
De la comparación realizada anteriormente, se decidió optar por el sistema que utiliza glicerina como solvente extractor.
98 En la Tabla 6.10, se muestran las composiciones, temperaturas, presiones y caudales de cada una de las corrientes involucradas.
Tabla 6.10: Detalle de las corrientes en el sistema.
Corriente Caudal (kg/h)
Composición (% másico)
Temperatura (°C)
Presión (kPa) Alimentación 287.808 93,2 % Agua, 6,7 %
Etanol y 0,1 % Sacarosa 28 101,3 Alimentación
caliente (luego de pasar por el
primer intercambiador)
287.808 93,2 % Agua, 6,7 %
Etanol y 0,1 % Sacarosa 34,43 101,3
S1 15.002 99,98 % Glicerina, 0,02 %
Agua 32,75 101,3
D1 20.373 94 % Etanol, 6% Agua 78,13 101,3
D2 19.384 98,75% Etanol, 1,25%
Agua 78,11 101,3
D3 992 98,75% Agua, 1,25%
Etanol 44,43 10
F1 267.435 99,82% Agua, 0,17%
Sacarosa, 0,01% Etanol 99,99 101,3 F2 15.994 93,78 % Glicerina, 6,14%
Agua, 0,08% Etanol
159,5 101,3 F3 15.002 99,98 % Glicerina, 0,02 %
Agua
213,9 10
Por último, en la Tabla 6.11, se muestran los calores intercambiados en los reboilers y condensadores de cada torre.
Tabla 6.11: Detalle de los calores en las torres.
Torre N°1 Torre N°2 Torre N°3
Q condensador
(kW) 22.500 13.800 1.314
Q reboiler (kW) 43.860 15.330 1.850
En la Figura 6.5, se muestra el esquema definitivo.
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Figura 6.5: Esquema simplificado de torres utilizadas para el proceso de destilación. Las composiciones están expresadas en fracción másica. Con RR: relación de reflujo molar.
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