RECUPERACIÓN DE ETANOL POR DESTILACIÓN DE UNA SOLUCIÓN ACUOSA DE POLIOLES. ANALISIS DE LA ALTERNATIVA MÁS CONVENIENTE. Diego Bosco, Martín Caporgno Universidad Tecnológica Nacional - Facultad Regional Villa María - Avda. Universidad 450 -(X5900HLR) Villa María – Córdoba. Argentina. E-mail: [email protected] RESUMEN En este trabajo se llevó a cabo el análisis de dos alternativas para la recuperación del etanol utilizado en la etapa de precipitación de los polioles de una solución acuosa en el proceso de obtención de xilitol, mediante el empleo del software de simulación Chemcad v6.0.1. Factores claves en el proceso como pureza del producto de tope, flujo de vapor requerido, pérdidas, necesidades de calor y dimensionamiento de equipos fueron analizados con el objetivo de determinar el modo de operación más conveniente. INTRODUCCION Durante la fabricación de xilitol, una de las etapas críticas de purificación del poliol consiste en la precipitación de sus cristales presentes en una solución acuosa concentrada mediante el agregado de etanol. Para esto se añade el alcohol en una proporción 4,5:1 con el agua; debido a la muy escasa solubilidad del poliol en la solución formada, se logra su separación del resto de los componentes. Cabe destacar que el sorbitol es muy soluble en el etanol. Posteriormente, el xilitol cristalizado es separado en una centrífuga de la solución aguaetanol-sorbitol donde los cristales son lavados con agua para que la misma arrastre el licor retenido en los poros de la torta. Es imposible hacer económicamente viable esta alternativa de separación y purificación del xilitol sin plantear la recuperación del alcohol empleado. El objetivo de este trabajo es analizar la situación más conveniente en cuanto al proceso de recuperación del alcohol. Para esto se planteó la situación de una separación del mismo en modo continuo o la recolección de la solución de los tres turnos diarios y la operación en modo discontinuo. DESARROLLO METODOLOGICO Se llevó a cabo el siguiente análisis: 9 Recuperación del etanol en forma continua. 9 Recuperación del etanol en modo discontinuo. En ambas alternativas se comparó: Análisis del flujo de vapor requerido por kilo de producto obtenido, cantidad de vapor necesaria por día, tamaño del condensador, dimensiones de la columna, pureza del producto final y pérdidas. La secuencia de simulación y cálculo fue la siguiente: 1) Se determinó el Nº de platos necesarios con el modulo SHORTCUT COLUMN (SHORT). Este contiene el modelo de cálculo de Fenske-Underwood-Gilliland (FUG) y para la localización del plato de alimentación, el modelo de Fenske. 2) Se simuló el sistema con el módulo SCDS COLUMN, el que contiene métodos rigurosos de optimización, incorporando el Nº de platos obtenido en 1). También se analizó la variante de eliminar el rehervidor y operar la columna con inyección de vapor directa. Luego de la convergencia de los modelos, se calculó el diámetro de la columna. 3) Se simuló el sistema con el módulo BATCH COLUMN, incorporando el Nº de platos obtenido en 1). Para el diseño y simulación con Chemcad v6.0.1., los modelos termodinámicos adoptados para el equilibrio L/V y para la entalpía fueron NRTL y Calores Latentes respectivamente. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS Con el método shortcut, para la recuperación del azeótropo, se necesitó una columna de 7 platos, usando una relación de reflujo de 1,7; en la misma se pierden 2,6 kg como producto de fondo. Al ingresar estos valores en el módulo SCDS, la pureza del producto obtenido fue de 0,928 en fracción líquida por lo que se debieron realizar modificaciones para lograr un valor más cercano al azeótropo. Además se obtuvo una pérdida de 7 kg de etanol en el producto de fondo. Se reacondicionó la columna con 13 platos logrando recuperar prácticamente todo el etanol que ingresa (99,9%) aunque la pureza del mismo sigue siendo de 0,928 en fracción líquida. Se comprobó que para lograr una concentración aproximada a la azeotrópica (0,96), se necesita una columna de 26 platos, reflujo 3,5; además de mayor flujo de calor en el rehervidor. Se procedió al diseño de la columna anterior, ahora con inyección de vapor directo. Con un reflujo de 3,5 y la inyección de 104 kg de vapor (3,5 kg/cm2) se logró la recuperación casi total del etanol (99,9 %) con una concentración muy cercana a la azeotrópica (0,95 en fracción líquida). Fig.1: Análisis del flujo y pureza del etanol recuperado vs. el flujo de vapor de inyección en el módulo SCDS. Destilación Batch Con el objetivo de analizar la situación más conveniente desde el punto de vista económico, se procedió al diseño de una columna batch, acumulando la cantidad de etanol y agua de los tres turnos de operación diarios. La columna cuenta con 26 platos perforados y una relación de reflujo de 4,5 para lograr un producto con una concentración de 95,01%. En este caso la cantidad de etanol que queda como residuo es de 3,04 kg. Debido al volumen requerido del pote de carga sumado a la altura misma de la columna, es necesario realizar un corte durante la operación y bidestilar, de este modo se logra operar con una columna de menor altura sin afectar con ello la separación de los componentes. Cabe destacar que por cuestiones de proceso la operación se realiza en un tiempo de 6,45 horas. Tabla Nº 1: Parámetros de operación de las columnas Módulo Batch SCDS (vapor) SCDS (rehervidor) Producción (kg) Tiempo (h) Q (kg/h) Reflujo Q condensador (Kcal/h) *Q condensador (Kcal/día) Q rehervidor (Kcal/h) *Q rehervidor (Kcal/día) Λ vapor sat. (Kcal/kg) Flujo de vapor (Kg/h) Flujo de vapor (kg/día) kg de vapor/kg producto Pérdidad de etanol/día Pérdidas (kg etanol/hora) Pureza 1355,29 6,45 210,12 4 -233457,36 -1,51E+06 234155 1,51E+06 516 453,79 2926,94 2,16 3,04 0,47 95,01% 1 56,7 3,5 -56267,77 -1,35E+06 54000 1,30E+06 516 104,65 2511,6 1,85 0,02 9,69E-04 95,19% 1 53,12 3,5 -52692,08 -1,26E+06 54000 1,30E+06 516 104,65 2511,6 1,97 72 3 95,42% Parámetros de diseño Diámetro columna (cm) Espaciado de platos (cm) Altura pote residuo (m) Altura de la columna (m) 45,7 15 1,26 3,7 30,5 15 30,5 15 4,5 4,5 **10% 47% Productos de fondo Concentración de sorbitol en 65% solución acuosa * Con el objetivo de comparar el modo continuo con el batch se consideró al tiempo de operación de la columna discontinua (6,45 h) como día. **Está incluido el vapor condensado. Para la condensación de los vapores de cabeza de la columna continua con inyección de vapor se diseñó un condensador-subenfriador horizontal con las siguientes especificaciones: Caudales CORAZA 15,14 kg/h Vapor de agua 239 kg Etanol (v) 78,25ºC Temp. ingreso 40ºC Temp. salida TUBOS Agua de refrigeración 8997,2 kg Temp. ingreso Temp. salida 25ºC 32ºC Número y Longitud Pasos Diámetro Exterior, BWG Arreglo Distancia entre tubos 39; 1,5 m 2 1,27 cm; 16 Dimensionamiento Diámetro Interior Pasos Esp. de deflectores 15,24 cm 1 12,6 cm Triang. rotado (60º) 1,59 cm Para la condensación de los vapores de cabeza de la columna batch se diseñó un condensador-subenfriador horizontal con las siguientes especificaciones: Caudales Vapor de agua Etanol (v) Temp. ingreso Temp. salida CORAZA 194,71 kg 374,23 kg 95,38ºC 40ºC TUBOS Agua de refrigeración 38533,4 kg Temp.ingreso Temp. salida 25ºC 32ºC Número y Longitud Pasos Diámetro Exterior, BWG Arreglo Distancia entre tubos 42; 1,8 m 4 2,54 cm; 16 Dimensionamiento Diámetro Interior Pasos Esp. de deflectores 30,48 cm 1 6 cm Triang. rotado (60º) 3,17 cm CONCLUSION De acuerdo a los requerimientos del proceso, la menor reposición diaria de alcohol se logra mediante la destilación del residuo líquido con inyección directa de vapor. Si bien la pureza obtenida en esta operación es menor que la lograda en la destilación con rehervidor, el valor no deja de ser cercano al deseado (96%) con lo que su reutilización sigue siendo válida. Se destaca además, que se requieren menos kg de vapor por kg de producto obtenido, lo que económicamente es considerable. No obstante las necesidades de enfriamiento son mayores pero su incidencia en los costos finales de operación es mínima. Se concluye también en que la columna batch requiere mayor presupuesto en cuanto a diseño y operación. Posee un tamaño mayor no solo en su diámetro sino también en las dimensiones del condensador y requiere mayor flujo diario de vapor para calentamiento. BIBLIOGRAFIA Chemstations Inc., Chemcad v.6.0.1. User Guide, Houston, Texas, 2002. Ferreira J., Teixeira C. “Crystalline xylitol obtained from sugar cane bagasse”. US Patent 2006/0281913 A1. Martinez E., Almeida e Silva J., Giulietti M., “Downstream process for xilitol produced from fermented hydrolysate”. Enzyme and Microbial Technology, 2007, 40:1193-1198. Myer Jaffe G., Weinert P. “Aqueous crystallization of xilitol”. US Patent 3.985.815.