Elección del solvente para la destilación extractiva

Como se mencionó anteriormente, se va a realizar la separación del etanol mediante la destilación extractiva. La destilación extractiva es una técnica utilizada para separar mezclas binarias azeotrópicas, en la que se adiciona un agente de separación o solvente cuya característica principal es que no presenta la formación de azeótropos con ninguno de los componentes de la mezcla a separar.

El solvente altera de manera conveniente las volatilidades relativas de los componentes de la mezcla. Por tal razón debe ser completamente miscible con la mezcla y tener baja volatilidad, para asegurar su permanencia en la fase líquida. Además, debe 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. ^[59]

En la industria se utiliza una gran variedad de solventes para llevar a cabo la destilación extractiva, entre los cuales se destacan el glicerol, etilenglicol, ChCl/urea, imidazol. Estos dos últimos compuestos están en proceso de investigación en la aplicación como solventes, siendo sus volúmenes de venta pequeños, de poca disponibilidad y difícil acceso. Por lo tanto el análisis de elección se centra en el etilenglicol y el glicerol.

Capítulo 3: Análisis de pre/pos tratamientos y separaciones

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 Glicerol. El glicerol o glicerina es un alcohol con tres grupos hidroxilos. Se presenta en forma de líquido a una temperatura ambiente de 25 ° C y es higroscópico e incoloro.

Posee un coeficiente de viscosidad alto. Se genera en grandes cantidades como sub- producto del proceso de fabricación de biodiésel. Se trata de un compuesto que no es tóxico ni irritante, es biodegradable y reciclable y presenta una serie de propiedades físicas y químicas que pueden convertirlo en un disolvente alternativo a los disolventes orgánicos convencionales. Se caracteriza por su alto punto de ebullición, escasa presión de vapor, elevada capacidad para disolver compuestos orgánicos e inorgánicos, y estabilidad en condiciones normales de presión y temperatura.

 Etilenglicol. El etilenglicol es un compuesto químico que pertenece al grupo de los dioles. Es un líquido transparente, incoloro, ligeramente espeso. Por estas características organolépticas se suelen utilizar distintos colorantes para reconocerlo y así disminuir las intoxicaciones por accidente. A temperatura ambiente es poco volátil, pero puede existir en el aire en forma de vapor. Se utiliza principalmente como anticongelante en los circuitos de refrigeración de motores de combustión interna, como difusor del calor, mezclado con agua para los procedimientos de deshielo y antihielo de los aviones comerciales, para fabricar compuestos de poliéster, y como disolvente en la industria de la pintura y el plástico.

Análisis de separación de la mezcla agua-etanol-solvente

Habiendo definido el modelo termodinámico, se utiliza el UniSim ThermoWorkbench para, con los modelos termodinámicos antes mencionados, obtener diagramas ternarios a presión atmosférica y para distintas temperaturas.

Figura 3.13 - Diagrama ternario con el Etilenglicol como solvente a 90°C.

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Figura 3.14 - Diagrama ternario con el Etilenglicol como solvente a 95°C.

Figura 3.15 - Diagrama ternario con el Etilenglicol como solvente a 101°C

Figura 3.16 - Diagrama ternario con el Glicerol como solvente a 90°C.

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Figura 3.17- Diagrama ternario con el Glicerol como solvente a 110°C.

Figura 3.18 - Diagrama ternario con el Glicerol como solvente a 140°C.

En las Figuras 3.13 a 3.18 se observa que los compuestos analizados pueden ser utilizados como agentes de separación, evidenciado por la formación de un equilibrio de fases líquido-vapor, en el cual se puede llegar a etanol puro si se utilizan etapas infinitas.

Comparando el glicerol con el etilenglicol, se puede decir que el rango de temperatura de operación con el glicerol es mayor.

Para el glicerol, las temperaturas seleccionadas para el análisis de separación son de entre 90 y 140 °C. Esto se debe a que a temperaturas menores del rango elegido, la separación no puede realizarse o se ve desfavorecida, ya que el número de etapas a utilizar es mucho mayor (el área de la curva de equilibrio es menor). Por otro lado, al aumentar la temperatura por encima del rango mencionado, el equilibrio no varía significativamente o se logran efectos adversos a los buscados, es decir la máxima fracción molar del etanol en la fase vapor del equilibrio disminuye.

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Para el etilenglicol, las temperaturas seleccionadas van entre 90 y 101°C, debido a que a mayor temperatura, el equilibrio no permite obtener etanol puro.

Con respecto a la relación alimentación solvente optima, varias fuentes bibliográficas indican distintas relaciones. Segovia Hernández et. al. ^[60] encuentra una relación óptima de caudal de glicerol y caudal de entrada de 0,87, mientras que, para el mismo solvente, Guerra et. al. ^[61] y Uyazan et. al. ^[59] afirman que dicha relación es 0,4 y 0,79 respectivamente. Con lo cual, debido a la disparidad en los valores óptimos de S/F, y teniendo en cuenta que ocurre un hecho similar utilizando etilenglicol, el análisis de esta variable se realizará con detalle en capítulos posteriores y no será tenido en cuenta para la elección del solvente.

Ahora bien, otro factor importante a tener en cuenta en la elección del solvente es su costo. En la Tabla 3.2 se muestran los precios de cada compuesto.

Tabla 3.2 – Precio del etilenglicol y glicerol por litro. ^[63][64]

Compuesto Precio (U$D/L)

Etilenglicol 2,08

Glicerol 0,68

Por lo tanto, teniendo en cuenta que el precio del glicerol es menor que el del etilenglicol, y que puede usarse en un mayor rango de temperaturas, no tiene riesgos toxicológicos y es de fácil disponibilidad en Argentina debido a que es un sub-producto de la producción de biodiesel, se selecciona al glicerol como solvente a utilizar en la deshidratación del etanol por destilación extractiva.

Uyazán et. al. ^[59] estudió el comportamiento de la mezcla azeotrópica con el agregado de glicerol mediante el simulador Aspen Split de Aspen Tech (con NRTL -Gas ideal como modelo termodinámico) y lo comparó con datos experimentales. En la Figura 3.19 se observan los resultados obtenidos por Uyazán y se puede notar que el equilibrio de fases no presenta azeótropo. Esta es otra manera de visualizar el efecto del agregado de glicerol a la mezcla azeotrópica.

Comentado [S2]: CAMBIAR AL VALOR DE LA ENTREGA 9

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Figura 3.19 - Diagrama de equilibrio líquido vapor para la mezcla agua-etanol, con la presencia de glicerol como agente de extracción. Fuente: Producción de alcohol carburante por destilación extractiva: Simulación del proceso con glicerol. ^[59]