destilerías de alcohol de melaza con efluente cero y ganancia

DESTILERÍAS DE ALCOHOL DE MELAZA CON EFLUENTE
C E R O Y G A N A N C I A E N E R G É T I C A, M E D I A N T E
LA CONCENTRACIÓN Y COMBUSTIÓN DE VINAZAS
PREMIO MERCOSUR DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA 2008
Jorge Gustavo H. Perera <[email protected]>; Sergio Rengel; Jorge Hernán Perera y Felipe Ramón Fernández
GOBIERNO DE LA PROVINCIA DE TUCUMÁN
Introducció
vinaza, efluente de las columnas de
Introducción: la vinaza,
destilació
destilación de las Destilerí
Destilerías de Alcohol,
Alcohol, es de elevada
carga orgá
orgánica y salinidad potá
potásica;
sica; constituye la principal
causa de impacto ambiental de las descargas de la
industria azucareraazucarera-alcoholera.
alcoholera. Se producen localmente
unos 200 000 (doscientos mil)
mil) metros cú
cúbicos de alcohol a
partir de la melaza de la cañ
caña de azú
azúcar.
car. La planta
propuesta responde a un diseñ
diseño basado en evaporació
evaporación
por circulació
circulación forzada,
forzada, para la concentració
concentración de la vinaza.
vinaza.
El sistema emplea como medio de calentamiento,
calentamiento, vapor de
escape o de contrapresió
ó
n
de
1
,
5
bar
g
.
Los
condensados
se
contrapresi
descargan del evaporador en múltiple efecto,
efecto, a app.
app. 53 ° C.
Para la combustió
combustión de la vinaza concentrada,
concentrada, se emplean
quemadores torsionales,
torsionales, integrantes de una instalació
instalación
térmica con cá
combustión separada;
separada; recolecció
recolección
cámara de combustió
de cenizas;
cenizas; postpost-combustió
combustión en el hogar del generador de
vapor;
vapor; multicicló
multiciclón intercambiador de calor,
calor, depurador de
gases y sistema de control global.
global. Se interpone entre la
cámara de combustió
combustión y el hogar de la caldera, un mó
módulo
reductor de emisiones para eliminar gases tó
tóxicos.
xicos.
Materiales y Mé
específico aparente de la
Métodos:
todos: el peso especí
vinaza,
vinaza, aumenta con la concentració
concentración de só
sólidos
disueltos,
disueltos, expresada como grados Brix (° Bx)
Bx) o gramos de
sólidos totales disueltos por cada 100 gramos de solució
solución
(ver Fig. CCV - 1). El coeficiente de transmisió
transmisión del calor y
la cantidad de calor transmitida durante la evaporació
evaporación,
dependen de la diferencia de temperatura entre la
superficie calefactora y el lí
líquido en ebullició
ebullición. Cuanto
mayor es el punto de ebullició
ebullición de la solució
solución a
concentrar,
concentrar, son menores la diferencia entre ambas
temperaturas y la cantidad de calor transmitida.
transmitida. El
aumento ebulloscó
ebulloscópico es directamente proporcional a la
concentració
concentración de solutos;
solutos; a mayor concentració
concentración, baja la
velocidad de evaporació
evaporación. Con el aumento de temperatura,
temperatura,
disminuyen,
disminuyen, menos que proporcionalmente,
proporcionalmente, la viscosidad
cinemá
cinemática;
tica; el peso especí
específico aparente y la viscosidad
diná
cp]. Ver Fig.
Fig. CCV - 2. La
dinámica,
mica, μ [centipoises o cp].
combustió
combustión de vinaza,
vinaza, implica transformació
transformación de energí
energía
y producció
producción de fertilizantes potá
potásicos.
sicos. El calor de
combustió
combustión de la vinaza,
vinaza, es Hu ≅ 3 250 kcal / kg de
vinaza seca y en general,
kg.
general, Hu vinaza 60 ° Bx ≅ 1 650 kcal / kg.
PESO ESP. APARENTE
[tonelada / metro cúbico]
VARIACIÓN DEL PESO ESPECÍFICO APARENTE, EN
FUNCIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE LA VINAZA
1,4
1,3
1,2
1,1
1
10
15 20 25 30 35 40
45 50
55 60 65 70 75 80
85
CONCENTRACIÓN [° Brix]
Fig. CCV - 1 - VARIACIÓN DEL PESO ESPECÍFICO APARENTE EN FUNCIÓN DE LA CONCENTRACIÓN
Viscosidad dinámica [ cp ]
VISCOSIDAD DINÁMICA DE UNA VINAZA DE 30 ° BRIX, EN
FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA
2
1,9
1,8
1,7
1,6
1,5
1,4
1,3
1,2
1,1
1
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
Temperatura [ ° C ]
Viscosidad dinámica [ cp ]
VISCOSIDAD DINÁMICA DE UNA VINAZA DE 60 ° BRIX, EN
FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
Temperatura [ ° C ]
Fig. CCV - 2 - VARIACIÓN DE LA VISCOSIDAD DINÁMICA μ [centipoises ≡ cp] EN FUNCIÓN DE LA
TEMPERATURA [° C] PARA DOS CONCENTRACIONES DE VINAZA: 30 ° Bx Y 60 ° Bx
Si se observa la Tabla 1 - Masa de Agua a Evaporar en
Funció
Función de la Concentració
Concentración Original de Vinaza,
Vinaza, se
advierte que partiendo de una vinaza de 11,
11,1 ° Brix (11,
11,1 g
de soluto en 100 g de solució
solución), para lograr una
concentració
concentración de 60 ° Brix (60 g de soluto en 100 g de
solució
solución), deben evaporarse 81,
81,50 g de agua.
agua. Lo
expresado equivale a indicar una masa de 815 litros de
agua por tonelada de vinaza de 11,
Bx. En la Fig.
Fig. 3, se
11,1 ° Bx.
muestra la variació
variación de la Masa de Agua Evaporada en
Funció
Función de la Concentració
Concentración (en grados Bx)
Bx) de la Vinaza.
Vinaza.
La Tabla CCV - 2, ilustra sobre el consumo especí
específico de
vapor,
vapor, en funció
función del número de efectos (sólo uno y tres).
tres).
Tabla CCV - 1 - AGUA A EVAPORAR EN FUNCIÓN DE LA CONCENTRACIÓN ORIGINAL DE VINAZA
Etapas:
Inicio
Masa de
Agua [g]:
Δ Masa
Total [g]:
11,1
11,1
88,90
100,00
12
11,1
81,40
92,50
7,50
7,50
15
11,1
62,90
74,00
18,50
26,00
18
11,1
50,57
61,67
12,33
38,33
21
11,1
41,76
52,86
8,81
47,14
24
11,1
35,15
46,25
6,61
53,75
27
11,1
30,01
41,11
5,14
58,89
30
11,1
25,90
37,00
4,11
63,00
33
11,1
22,54
33,64
3,36
66,36
36
11,1
19,73
30,83
2,80
69,17
39
11,1
17,36
28,46
2,37
71,54
42
11,1
15,33
26,43
2,03
73,57
45
11,1
13,57
24,67
1,76
75,33
48
11,1
12,03
23,13
1,54
76,88
51
11,1
10,66
21,76
1,36
78,24
54
11,1
9,46
20,56
1,21
79,44
Fig. CCV - 4 - ESQUEMA CON INDICACIÓN DE FLUJOS, DE UNA PLANTA DE EVAPORACIÓN PARA CONCENTRAR 1300 TONELADAS DÍA-1 DE VINAZA DE MELAZA DE CAÑA DE AZÚCAR.
57
11,1
8,37
19,47
1,08
80,53
60
11,1
7,40
18,50
0,97
81,50
Observaciones: la planta cuenta con 2 evaporadores de circulación forzada {W01, W02}; con 3 evaporadores de película descendente {W03, W04, W05}; con 1 condensador de superficie {W06}; con 2 separadores de circulación forzada
{F01, F02}; con 3 separadores centrífugos {F03, F04, F05}; con 1 enfriador instantáneo o flash cooler {A01}; con un sistema de sello hidráulico para las bombas; con 3 recipientes para condensados {B01, B02, B03}; con 1 bomba de vacío
{P01}; con 12 bombas centrífugas para vinaza {P02, P03, P04, P05, P06, P07, P07, P08, P09, P10, P11, P12, P13}; con 3 bombas centrífugas para condensados {P14, P15, P16} y 8 conversores de frecuencia para electromotores de bombas.
11,1
6,52
17,62
0,88
82,38
Concentración
[º Bx]:
Final
Masa de
Soluto [g]:
63
Masa de
Agua [g]:
Masa Total de Agua
Evaporada [g]:
MASA DE AGUA EVAPORADA EN FUNCIÓN DE LA
CONCENTRACIÓN (EN GRADOS BRIX) DE LA VINAZA
Masa Agua Evaporada [g]
Resumen:
Resumen: el planteo se formula para una destilerí
destilería
modular de 100 m3 día-1 de alcohol 96 que descarga 1 300
m3 día-1 de vinaza de ≈ 11 ° Bx y 85 ° C. Para concentrarla
(56 500 kg hora-1) hasta 60 ° Bx, deben evaporarse 46 048
kg hora-1 de agua,
agua, requirié
requiriéndose 8 600 kg hora-1 de vapor
de calefacció
calefacción de 1,
1,5 bar g.
g. Se producen 10 452 kg hora-1
de vinaza de 60 ° Bx y se dispone de un excedente de 5 t
hora-1 de vinaza 60 (120 t dí
día-1, equivalente a ≈ 20 t de fuelfueloil).
oil). Se evalú
evalúa té
técnica y econó
económicamente,
micamente, un proceso
integral de efluente cero,
cero, con recuperació
recuperación de agua;
agua;
producció
producción de cenizas potá
potásicas (18,
18,46 t dí
día-1 de K+
fertilizante)
fertilizante) y vinaza concentrada,
concentrada, combustible lí
líquido,
quido,
aplicable a la cogeneració
cogeneración elé
eléctrica.
ctrica. La vinaza entonces,
entonces,
no es un residuo contaminante,
contaminante, sino materia prima
susceptible de ser utilizada con beneficios;
beneficios; aplicando una
Tasa de Descuento del 20,
20,00 %, el Perí
Período de Repago es
de cuatro años,
os, con una Tasa Interna de Retorno de 44,
44,83 %.
100
80
60
40
20
0
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
Concentración [ºBx]
Fig. CCV - 3 - MASA DE AGUA EVAPORADA EN FUNCIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE LA VINAZA
Tabla CCV - 2 - REQUERIMIENTOS DE VAPOR DE CALEFACCIÓN, ESCAPE O CONTRAPRESIÓN Y
CONSUMO ESPECÍFICO, EN FUNCIÓN DEL NÚMERO DE EFECTOS DE EVAPORACIÓN
Número de
efectos:
Vapor de calefacción
[ kg / hora ] :
Vapor vegetal
[ kg / hora ] :
Consumo específico
de vapor [ % ] :
1
1
1
100
3
1
3
33
Combustió
Combustión de la Vinaza de 60 ° Brix (combustibles de
bajo poder calorí
calorífico):
fico): puede ser quemada empleando
sistemas de combustió
combustión especializados,
especializados, con flujo de
vórtice e inyecció
inyección tangencial en una mufla.
mufla. El quemador
de tipo dú
dúo-bloque,
bloque, emplea el principio de difusió
difusión y
reduce las emisiones de CO y de NOx (ver Fig.
Fig. CCV - 5 y
Fig.
Fig. CCV - 06).
06). La toma fotográ
fotográfica de la Fig.
Fig. CCV - 7,
muestra un quemador torsional para vinaza concentrada,
concentrada,
que emplea fuelfuel-oil pulverizado como combustible de
soporte,
soporte, para asegurar una combustió
combustión completa con
estabilidad de la llama.
llama. En la Fig.
Fig. CCV - 8, se tiene el
esquema de una Instalació
Instalación Té
Térmica con Cá
Cámara de
Combustió
postCombustión Separada;
Separada; recolecció
recolección de cenizas y postcombustió
combustión en el hogar del generador de vapor.
vapor. Se
interpone entre la cá
cámara de combustió
combustión y el hogar de la
caldera,
caldera, un módulo reductor de emisiones de gases tóxicos.
xicos.
Resultados:
técnicas de una planta de
Resultados: especificaciones té
evaporació
vinaza. Como
evaporación para 1 300 toneladas dí
día-1 de vinaza.
deben evaporarse 815 kg de agua por tonelada de vinaza,
vinaza,
en la jornada se producirá
producirán: (815)
815) (1 300)
300) = 1 059 500 kg
de vapores vegetales ≡ 44 146 kg hora-1 . La Planta objeto
del presente aná
análisis,
lisis, se ha dimensionado para evaporar
46 048 kg hora-1. Ver el diagrama de flujo de la Fig. CCV - 4.
Datos de diseñ
diseño y de consumo:
consumo:
Datos de diseñ
diseño:
Producto:
Producto: vinaza de destilerí
destilería de alcohol
96 .
Tasa total de evaporació
evaporación: 46 048 kg de
agua hora-1 .
Condiciones de alimentació
alimentación de la vinaza:
vinaza:
Cantidad:
Cantidad: 56 500 kg de vinaza hora-1 .
Temperatura:
Temperatura: 85 ° C .
Concentració
Concentración: 11,
11,1 % ST .
pH:
pH: 5,2 .
Concentrado:
Concentrado:
Cantidad: 10 452 kg de vinaza de 60 ° Bx
hora-1 .
Temperatura:
Temperatura: ≈ 55 ° C .
Concentració
Concentración: 60 % ST .
Presió
Presión: 4 bar g .
Condensados del vapor:
vapor:
Cantidad:
Cantidad: 46 118 kg hora-1 .
Temperatura:
Temperatura: ≈ 53 ° C .
Presió
Presión: 3 bar g .
Datos de energí
energía y consumo:
consumo:
Vapor de calefacció
calefacción requerido:
requerido: ≈ 8 600 kg
hora-1 (de 1,
1,5 bar g de presió
presión constante,
constante,
en la Planta).
Planta).
Reflujo de condensados de vapor:
vapor:
Cantidad:
Cantidad: ≈ 8 530 kg hora-1 .
Temperatura:
Temperatura: ≈ 103 ° C .
Presió
Presión: 3 bar g .
Agua
de
enfriamiento
requerida:
requerida:
(calentada de 32 ° C a 42 ° C)
Cantidad:
Cantidad: 660 m3 hora-1 .
Agua de servicio (para el anillo lí
líquido de
la bomba de vací
vacío):
Cantidad:
Cantidad: 3 m3 hora-1 .
Temperatura:
Temperatura: 15 ° C .
Sellos de agua (para las bombas):
bombas):
Cantidad:
Cantidad: 3 m3 hora-1 .
Presió
Presión: 8 bar g .
Energí
Energía elé
eléctrica requerida:
requerida:
Bombas:
Bombas: ≈ 850 kW de potencia instalada
de motores para 400 V,
V, trifá
trifásicos y 50 Hz.
Hz.
Instalaciones complementarias:
complementarias:
Vapor de calefacció
calefacción:
La presió
presión del vapor en la Planta,
Planta, debe ser
de 1,
1,5 bar g,
g, constante.
constante.
Agua de enfriamiento:
enfriamiento:
El agua de la torre de enfriamiento,
enfriamiento,
calentada de 32 ° C a 42 ° C y presió
presión de
admisió
admisión, igual a 4 bar g,
g, en relació
relación con
la cota de nivel ± 0 .
Agua p/ el sello de las bombas centrí
centrífugas:
fugas:
Como má
máximo a 25 ° C; con una dureza
total má
máxima de 7 ° GD y una sobrepresió
sobrepresión
de ≈ 8 bar.
bar.
Agua de servicio para el anillo lí
líquido de la
bomba de vací
vacío:
Como má
máximo a 15 ° C; con una dureza
total má
máxima de 7 ° GD y una sobrepresió
sobrepresión
de ≈ 2 bar.
bar.
Energí
Energía elé
eléctrica:
ctrica:
La
tensió
de
trabajo
de
los
tensión
electromotores de las bombas centrí
fugas,
centrífugas,
es de 400 V,
V, trifá
trifásica y de 50 Hz.
Hz.
Aire para el sistema de control:
control:
Para mediciones y accionamiento de los
dispositivos o actuadores de control,
control, con
una presió
presión de 7 bar g;
g; con un rango de
variació
variación de ± 0,1 bar;
bar; sin agua y/o aceite.
aceite.
Solució
Solución para limpieza de equipos o CleanCleaninin-Place (CIP)
CIP) solution:
solution: [Na2 CO3] ≅ 8,5 % y
[H NO3] ≅ 2 % como mí
mínimo.
Aspectos de diseñ
diseño:
Fig. CCV - 7 - FOTOGRAFÍA DE UN QUEMADOR TORSIONAL PARA VINAZA CONCENTRADA.
Figs. CCV - 5 y 6 - QUEMADOR TORSIONAL PARA LÍQUIDOS DE BAJO PODER CALORÍFICO.
Conclusiones:
circulación
Conclusiones: el empleo de evaporadores de circulació
forzada,
forzada, diseñ
diseñados para mejorar la transferencia caló
calórica,
rica,
evita la formació
formación de depó
depósitos e incrustaciones y la
corrosió
corrosión en el interior de los tubos del evaporador.
evaporador. La
evaporació
evaporación de agua,
agua, es una operació
operación energé
energéticamente
intensiva que requiere aproximadamente 2 300 kJ kg-1 o
1 000 Btu lb-1 de agua evaporada,
evaporada, o bien tanto como 3 500
kJ kg-1 o 1 500 Btu lb-1 en un secador convencional.
convencional. La
evaporació
evaporación en mú
múltiple efecto minimiza las necesidades
globales de energí
energía, por rere-uso del calor en las sucesivas
etapas.
etapas. Con dos o tres cajas de evaporació
evaporación, se reduce el
consumo energé
energético en 930 a 1 160 kJ kg-1 o 222 a 277 kcal
kg-1 (400 a 500 Btu lb-1) de agua evaporada.
evaporada. Se logran
eficiencias mayores,
mayores, empleando té
técnicas de integració
integración
con otros sistemas consumidores de vapor de calefacció
calefacción,
como la destilació
destilación. En el caso de las pruebas localmente
realizadas,
realizadas, éstas se suspendieron al haberse alcanzado
una concentració
concentración de só
sólidos disueltos totales en la vinaza
de 75 ° Brix,
Brix, superior a la requerida para la combustió
combustión.
Como conclusió
conclusión econó
económicomico-financiera,
financiera, con una Tasa de
Descuento del 20,
Período de Repago es de 4 añ
años,
os,
20,00 %, el Perí
obtenié
obteniéndose una Tasa Interna de Retorno de 44,
44,83 %.
Materiales:
Materiales:
Todas las partes en contacto con vapores
vegetales y condensados de vapores
vegetales, será
serán ejecutadas en acero
inoxidable N°
N° 1.4404 / 316 L;
L;
Todas las partes de evaporadores en
contacto con vapor vivo y condensados de
vapor vivo,
vivo, será
serán ejecutadas en acero
inoxidable N°
N° 1.4301 / 304;
304;
Todas las partes en contacto con agua de
enfriamiento,
enfriamiento, se hará
harán en acero al
carbono;
carbono;
Todos los soportes,
soportes, al carbono;
carbono;
Las bombas,
bombas, sus carcasas e impulsores se
fabricará
fabricarán con 1.4571 / 1.4408.
1.4408.
Directrices
de
diseñ
equipos
y
diseño;
componentes de la planta:
planta:
El cuerpo de calentamiento del evaporador
de circulació
circulación forzada W01 está
está diseñ
diseñado
para trabajar a 1,
1,5 bar g y con vací
vacío, a
temp. = 140 ° C. Otros aparatos;
aparatos; equipos y
cañ
cañerí
erías,
as, en funció
función de las condiciones de
diseñ
se
ajustará
a
las
diseño,
ajustarán
correspondientes Normas Alemanas de
Ingenierí
Ingeniería.
Fig. CCV - 8 - ESQUEMA DE UNA INSTALACIÓN TÉRMICA CON CÁMARA DE COMBUSTIÓN SEPARADA.