SIMULACIÓN DEL PROCESO DE DESHIDRATACIÓN

SIMULACIÓN DEL PROCESO DE DESHIDRATACIÓN DE ÁCIDO ACÉTICO MEDIANTE
DESTILACIÓN AZEOTROPICA.
Autores: Romina Beltrán, Vanina Monesterolo.
Tutor: Mg. Luis A. Toselli.
Facultad Regional Villa María, Universidad Tecnológica Nacional, Grupo de Investigación en
Simulación para Ingeniería Química, GISIQ, Av. Universidad 450, X5900HLR Villa María,
Córdoba, Argentina, tel. 0353-4537500. [email protected]
RESUMEN
La obtención de ácido acético concentrado, por destilación simple a presión atmosférica, debido a
que las curvas de equilibrio líquido vapor de la solución se encuentran muy próximas, por lo cual
se requiere una gran cantidad de etapas teóricas. Su tratamiento es equivalente al de un sistema
azeotrópico multicomponente.
Esto puede lograrse a través de una destilación extractiva, utilizando distintos agentes de
separación tales como acetato de etilo, isobutil acetato y acetato de n-butilo, que forman
azeótropos con el agua permitiendo alcanzar la concentración deseada. Para esto se realizara
una evaluación integral de los principales parámetros de proceso comparando los resultados
relacionados con sus requerimientos energéticos, rendimientos, volumen, composición de
destilados y productos de desecho.
Se analizará la factibilidad del proceso de deshidratación aplicando el software CHEMCAD 5.3TM,
evaluando las bondades que presenta y obteniéndose información de interés para transferir al
ámbito académico e industrial.
Los modelos desarrollados permiten predecir el comportamiento del sistema, determinándose de
este modo que el mejor agente extractor es acetato de etilo.
INTRODUCCIÓN
El vinagre es un líquido agrio y astringente, producido por la fermentación ácida del vino, y
compuesto principalmente por ácido acético y agua. Es uno de los condimentos y conservantes
más antiguos que se conoce, aporta aroma y sabor a los alimentos mejorando sus características
de conservación. Es hipocalórico, no contiene grasas, sal ni azúcar.
Las legislaciones bromatológicas lo definen como el líquido que deriva de la glucosa, del almidón
o de diferentes azúcares que sufren dos fermentaciones sucesivas, la alcohólica y la acética,
especificando que no debe tener menos de 4.1% v/v, ni mas de 12.3% v/v de ácido acético.
La elaboración del vinagre se basa en las fermentaciones alcohólicas (levaduras) y acéticas
(bacterianas) consecutivas, en un medio adecuado (mosto de uva, zumo de manzana, malta,
entre otros).
En la obtención de este ácido por destilación simple a presión atmosférica, no es posible alcanzar
una concentración superior al 13% v/v, debido a que las curvas de equilibrio líquido vapor de la
solución se encuentran muy próximas, por lo cual se requiere una gran cantidad de etapas
teóricas. La solución es considerada un azeótropo (solución que cumple con la ley de Rault, no
presentando máximos ni mínimos en su composición). Industrialmente resulta de interés la
elaboración del ácido acético de mayores concentraciones, ya que el mismo es uno de los ácidos
carboxílicos más ampliamente utilizados. Se emplea en la síntesis de ésteres acéticos y se puede
utilizar como solvente en la fabricación del acetato de celulosa o de productos farmacéuticos
(I.Lung Chien, et al, 2004).
.
El producto concentrado se puede conseguir mediante la aplicación de diferentes tecnologías,
tales como destilación extractiva, que consiste en agregar un tercer componente. Cuando la
concentración de ácido acético que se pretende alcanzar esta debajo del 40% la extracción
líquido-líquido es la práctica más apropiada. Puede obtenerse también por medio del empleo de
membranas de separación.
En este trabajo se llevará a cabo la simulación del proceso de deshidratación por destilación
extractiva, utilizando distintos agentes de separación (acetato de etilo, iso-butil acetato y acetato
de n-butilo), formando azeótropos con el agua, pudiéndose separar, de esta manera, el ácido
acético.
Para esto se utilizará el software CHEMCAD 5.3TM con el fin de analizar la factibilidad de la
separación (Chemstations Inc).
En el estudio planteado se realizara una evaluación integral de los principales parámetros de
proceso comparando los resultados relacionados con sus requerimientos energéticos,
rendimientos, volumen y composición de destilados y productos de desecho, entre otros.
Estas comparaciones se realizan a efectos de establecer adecuadamente el funcionamiento del
proceso, para alcanzar las especificaciones requeridas del producto.
DESARROLLO
Las curvas de equilibrio del sistema ácido acético-agua se encuentran muy próximas entre sí,
como se muestra en la figura Nº 1. Utilizando destilación simple la separación de los dos
componentes es impracticable, debido a la necesidad de una excesiva cantidad de platos teóricos.
Fig Nº1: Diagrama de equilibrio ácido acético-agua
Para lograr la concentración deseada se emplea en la destilación, el agregado de un tercer
componente, el cual debe formar un azeótropo con el agua. Esta operación se emplea
industrialmente para disminuir el número de etapas de equilibrio y de este modo obtener el ácido
acético concentrado como producto.
El sistema de separación consiste de 2 columnas de destilación. El diagrama de flujo del proceso
propuesto se observa en la figura Nº 2. En éste, la alimentación a la primera está constituida por el
producto obtenido en la fermentación acética, junto a un reciclo proveniente de la última torre. En
la misma se obtiene como producto de fondo el ácido acético concentrado y como destilado una
mezcla ternaria que es alimentada a la segunda columna. En la segunda etapa se pretende
recuperar el componente utilizado en el proceso de extracción (acetato de etilo/acetato de
isobutilo/acetato de n-butilo) a su concentración azeotrópica.
Nº
1
2
3
4
Equipo
Mezclador
Concentrador A. Ac.
Recuperador de Ste
Intercambiador de Calor
Fig Nº 2: Diagrama de flujo del proceso de obtención de ácido acético concentrado
En las Tablas Nº 1, 2 y 3 se detallan los resultados obtenidos a partir del balance de masa de las
tres destilaciones realizas, con acetato de etilo, acetato de isobutilo y acetato de n-butilo,
respectivamente.
Tabla Nº 1: Caudales y composición de las corrientes del proceso de
deshidratación de ácido acético utilizando acetato de etilo.
Flujo Total
(kg/h)
Fracción masa
de A. Acético
Fracción masa
de Agua
Fracción masa
de Acetato de
etilo
Alimentación 1ª
columna
Producto de
Fondo
Alimentación 2ª
Columna
2000
262.8
1854.56
0.13
0.94
0.007
0.87
0.06
0.94
0
0
0.053
Se puede observar que para la primera variante de proceso se obtiene un producto al 94 %,
disminuyendo la concentración para el acetato de n-butilo al 88% y al 87 % para el acetato de
isobutilo.
Tabla Nº 2: Caudales y composición de las corrientes del proceso de
deshidratación de ácido acético utilizando acetato de isobutilo.
Flujo Total
(kg/h)
Fracción masa de
A. Acético
Fracción masa de
Agua
Fracción masa de
Acetato de
isobutilo
Alimentación 1ª
Columna
Producto de
Fondo
Alimentación 2ª
Columna
2000
267
2080
0.13
0.87
0.014
0.87
0.13
0.844
0
0
0.142
Tabla Nº 3: Caudales y composición de las corrientes del proceso de
deshidratación de ácido acético utilizando acetato de n-butilo.
Flujo Total
(kg/h)
Fracción masa de A.
Acético
Fracción masa de
Agua
Fracción masa de
Acetato de n-butilo
Alimentación 1ª
Columna
Producto de
Fondo
Alimentación 2ª
Columna
2000
296
2065
0.13
0.88
0
0.87
0.12
0.855
0
0
0.145
Para el caso que emplea como agente extractivo el acetato de etilo se obtienen torres de menor
número de platos y un menor consumo de energía por Kg de producto comparado con los otros, lo
cual se puede observar en la Tabla Nº 4 (S. Kurum, et al, 1996).
Tabla Nº 4: Parámetros de operación de las columnas para los diferentes agentes utilizados.
Nº Platos C1
Plato Alim. C1
Nº Platos C2
Plato Alim. C2
Energía
(kcal/kg prod.)
Acetato de
etilo
35
17
10
5
9863
Acetato de
isobutilo
40
12
30
3
78652
Acetato de nbutilo
40
12
30
3
70946
En las figuras Nº 3, 4 y 5 se muestran las curvas de mapa de residuo, en donde se evidencia la
formación de un azeótropo binario entre el tercer componente agregado al sistema y el agua.
Debido a su presencia es posible eliminar el agua en la segunda torre del proceso.
En la figura Nº 3, se ve que partiendo de una concentración 0.94 de agua, 0.007de ácido acético
y 0.053 de acetato de etilo, se obtiene por destilación, como producto de tope una concentración
del azeótropo binario y por el fondo de la misma se elimina el agua. Este es el que se recircula en
el proceso mezclándose con la alimentación.
Fig N º 3: Mapa de curvas de residuo para el sistema agua,
ácido acético y acetato de etilo.
En la figura Nº 4 se ve que a partir de la concentración 0.844 de agua, 0.014 de ácido acético y
0.142 de acetato de isobutilo, se alcanza la concentración azeotrópica, que es recirculado en el
proceso. Por ultimo, se muestra en la figura Nº 5 que utilizando una concentración de 0.855 de
agua y 0.145 de Acetato de n-butilo y destilando, se obtiene una concentración cercana a la
pretendida para la recirculación al proceso.
Fig N º 4: Mapa de curvas de residuo para el sistema agua, ácido acético e
acetato de isobutilo.
Fig N º 5: Mapa de curvas de residuo para el sistema agua,
ácido acético y acetato de n-butilo.
CONCLUSIONES
Los modelos desarrollados han proporcionado información detallada acerca del comportamiento
teórico del sistema de separación permitiendo, de este modo, inferir la viabilidad que presentará el
proceso de deshidratación del ácido acético.
El análisis de los tres casos estudiados permite hacer comparaciones de los parámetros
operacionales (cantidad de platos en las columnas, numero de plato de alimentación, composición
del producto) y de la energía requerida por Kg. de producto obtenido.
Por último, a partir de lo estudiado se evidencia que el sistema que trabaja con acetato de etilo
como agente extractor presenta mayores ventajas en cuanto a la recuperación del producto y
diseño del tren de destilación.
REFERENCIAS
1) I.Lung Chien, Kai-Luen Zeng, Huan-Yi Chao, Jun Hong Liu, “Design and control of acetic
acid dehydration system via heterogeneous azeotropic distillation”, 2004. Chemical
Engineering Science 59 (2004) 4547 – 4567.
2) Chemstations Inc, The User Guide Chemcad 5.3. Houston, Texas 77042, U.S.A.
3) S. Kurum and Z. Fonyo, “Comparative study of recovering acetc acid with energy
integrated schemes”, 1995. Applied Thermal Engineering Vol. 16, No. 6, pp. 487495, 1996.