MONOGRAFIA-ELABORACION DE ALCOHOL OK

Ley N° 30035
Ley que regula el Repositorio Nacional Digital de Ciencia, Tecnología e
Innovación de Acceso Abierto
UNIVERSIDAD NACIONAL JOSÉ FAUSTINO
SÁNCHEZ CARRIÓN
Facultad de Ingeniería Agraria, Industrias Alimentarias y
Ambiental
Escuela Académico Profesional de Industrias Alimentarias
MONOGRAFÍA
ELABORACIÓN DE ALCOHOL RECTIFICADO A PARTIR
DE LA MELAZA EN LA EMPRESA AGROINDUSTRIAL
PARAMONGA S.A.A. PERIODO 2011
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO
EN INDUSTRIALES ALIMENTARIAS
AUTOR
: Bach. OLGUÍN FONSECA, FIORELLA GIOVANNA
ASESORA : VEGA VENTOCILLA, GLADYS
HUACHO – PERÚ
2012
UNIVERSIDAD NACIONAL JOSÉ FAUSTINO
SÁNCHEZ CARRIÓN
Facultad de Ingeniería Agraria, Industrias Alimentarias y Ambiental
Escuela Académico Profesional de Industrias Alimentarias
MONOGRAFÍA
ELABORACIÓN DE ALCOHOL RECTIFICADO A PARTIR
DE LA MELAZA EN LA EMPRESA AGROINDUSTRIAL
PARAMONGA S.A.A. PERIODO 2011
-----------------------------------------------------Ing. Sulpicio MAURICIO BARZOLA
-----------------------------------------------------Ing. Sarela Carmela ALFARO CRUZ
PRESIDENTE
SECRETARIO
-----------------------------------------------------Ing. Ricardo Aníbal ALOR SOLÓRZANO
VOCAL
-----------------------------------------------------Ing. Gladys VEGA VENTOCILLA
DEDICATORIA:
Dedico
el
siguiente
trabajo
de
Investigación a DIOS, a mí querida Madre
por el enorme amor brindado en todo
momento, y a las personas que me
demuestran su amistad incondicional día a
día.
AGRADECIMIENTO
 Se agradece al Ing. Edwin Macavilca
Ticlayauri. Por su colaboración como
coasesor del presente trabajo.
 A la Empresa Agro Industrial Paramonga
S.A.A. por el apoyo en la fase de
recopilación de Datos y por permitir seguir
aprendiendo cada día más.
ÍNDICE
DEDICATORIA
AGRADECIMIENTO
RESUMEN
INTRODUCCIÓN
I.
AGRO INDUSTRIAL PARAMONGA S. A.
12
1.1
Historia
12
1.1.1 Cronología
13
Empresa
15
1.2.1 Denominación y Dirección
15
1.2.2 Nuestra Visión
16
1.2.3 Nuestra Misión
16
1.2.4 Datos Importantes
16
Certificación SGC ISO 9001:2000
17
1.3.1 Política Integrada
17
1.2
1.3
II. LA DESTILACIÓN
2.1
2.2
2.3
19
Principios Básicos
19
2.1.1 Descripción del Proceso
21
2.1.2 Ventajas de la Destilación
23
Métodos de Predicción de Propiedades
24
2.2.1 Ecuaciones de Estado
24
Algoritmos de diseño para una torre de destilación
31
2.3.1 Método Gráfico de McCabe – Thiele
31
2.3.2 Eficiencia de Murphree
37
2.3.3 Método de Fenske - Underwood – Gilliland
39
2.3.4 Modelo Termodinámico para la Destilación
41
2.3.5 Métodos Rigurosos
42
III. PROCESO DE ELABORACIÓN Y RECTIFICACIÓN
DEL ETANOL
46
3.1
Materia Prima
46
3.1.1 La Melaza
46
3.1.2 Composición Fisicoquímica (Promedio)
47
3.2
3.3
3.4
Producto
47
3.2.1 Definición del Producto
47
3.2.2 Características
47
3.2.3 Composición
49
3.2.4 Aplicaciones
49
Proceso
50
3.3.1 Dilución de la Melaza
50
3.3.2 Pre-Fermentación
51
3.3.3 Fermentación
52
3.3.4 Centrifugación
57
3.3.5 Destilación
58
Balance de Materia y Energía
62
3.4.1 Datos para los Balances de materia en la dilución,
Pre-Fermentación, Fermentación y Centrifugación
63
3.4.2 Cálculos en la dilución, Pre-fermentación, Fermentación y
Centrifugación (por día)
3.4.3 Cálculos en el sistema de destilación de etanol
64
69
CONCLUSIONES
72
BIBLIOGRAFÍA
73
ANEXOS
75
ÍNDICE DE TABLAS
PROCESO DE ELABORACIÓN DEL ETANOL
Tabla1Flujos, Fracciones másicas de etanol, Temperaturas y Entalpías
70
Tabla 2 Cálculo en los Condensadores
70
Tabla 3 Energía perdida por convección en las columnas
71
Tabla 4 Eficiencias en la Destilación
71
ÍNDICE DE FIGURAS
Fig. 1 Condición de equilibrio entre fases en una columna de destilación
20
Fig. 2 Distintos tipos de módulos empleados en columnas de destilación
21
Fig. 3 Torre de destilación multicomponentes
22
Fig. 4 Diagrama Pxy para una mezcla binaria
32
Fig. 5 Líneas de rectificación, agotamiento y alimentación
33
Fig. 6 Desarrollo escalonado de líneas que representan las etapas de una torre 34
Fig. 7 Etapas mínimas para una torre (reflujo total)
35
Fig. 8 Etapas infinitas para una torre (reflujo mínimo)
36
Fig. 9 Eficiencia de Murphree en el diagrama Pxy
38
Fig. 10 Diagrama de una etapa de equilibrio para las ecuaciones MESH
44
RESUMEN
El presente trabajo de investigación intitulado “Elaboración de Alcohol
rectificado a partir de la melaza en la empresa Agroindustrial Paramonga
S.A.A. periodo 2011”
Agroindustrial Paramonga S.A.A., está ubicado a nivel nacional en el cuarto lugar
de la lista de las empresas productoras de azúcar, la empresa produce al día15 mil
litros de alcohol rectificado, para ello se necesita 56,60 TM de melaza para llegar
a esa producción de alcohol.
La producción de alcohol rectificado por parte de la empresa, le es de gran
beneficio y/o rentabilidad, debido a que gracias a este subproducto que se produce
del proceso de elaboración del azúcar doméstico, se puede obtener un producto
tan comercial como el alcohol rectificado.
Los alcoholes tienen una gran gama de usos en la industria y en la ciencia como
disolventes y combustibles. El etanol y el metanol pueden hacerse combustionar
de una manera más limpia que la gasolina o el gasoil. Por su baja toxicidad y
disponibilidad para disolver sustancias no polares, el etanol es utilizado
frecuentemente como disolvente en fármacos, perfumes y en esencias vitales
como la vainilla.
Este trabajo de investigación tiene como finalidad evaluar y conocer el proceso de
la obtención del alcohol rectificado en AIPSSA, y como objetivo específico tiene:
describir cada una de las etapas que conlleva la elaboración de producción de
alcohol rectificado en la empresa AIPSAA, detallando los equipos que intervienen
en el proceso, y el método de destilación que se utiliza actualmente en la empresa.
También se ha elaborado un Balance de Materia y de Energía, los datos fueron
proveídos por la empresa, esto nos ayuda a poder conocer en cifras cuanto es lo
que realmente está ingresando, se está acumulando, cuanto es lo que está saliendo,
y cuanto de energía se ha perdido por convección en las columnas.
INTRODUCCIÓN
Agro Industrial Paramonga S.A.A. (AIPSA) es una empresa con sede en Perú que
se dedica principalmente en el sector de la agricultura. Las actividades de la
Compañía incluyen el cultivo y procesamiento de caña de azúcar, así como la
producción, distribución y venta de azúcar morena y refinada, melaza, bagazo de
caña, alcohol etílico y otros derivados. La compañía posee una planta de
producción y cuenta con más de 10 000 hectáreas de tierras cultivables, que se
encuentran en el Distrito de Paramonga, Provincia de Barraca.
La palabra alcohol proviene del árabe al-kukhūl que quiere decir "el espíritu", de
«al» (el) y kohol que significa «sutil». Esto se debe a que antiguamente se llamaba
"espíritu" a los alcoholes. Por ejemplo "espíritu de vino" al etanol, y "espíritu de
madera" al metanol.
Los árabes conocieron el alcohol extraído del vino por destilación. Sin embargo,
su descubrimiento se remonta a principios del siglo XIV, atribuyéndose
al médico Arnau
de
Villanova,
sabio alquimista y profesor
de
medicina
en Montpellier.
Este trabajo se divide en 3 capítulos y el método utilizado es descriptivo:
En el Capítulo I, se describe la Historia de la Empresa Agro Industrial Paramonga
S.A., la denominación que recibe, el lugar donde está situado, su visión, misión,
datos importantes sobre la producción anual, y que cuenta con Certificación SGC
ISO 9001:2000.
En el Capítulo II, se conceptualiza los factores físicos que intervienen en el
proceso de producción de alcohol rectificado (destilación), también los tipos de
columnas de platos, las relaciones de equilibrio Vapor Líquido, el contacto de
equilibrio de una sola etapa para un Sistema Vapor-Líquido, la Destilación con
Reflujo y el Método de Mccabe-Thiele, y la Destilación Fraccionada con el
Método de Entalpía-Concentración.
En el Capítulo III, se explica todas las etapas de la producción de alcohol
rectificado, iniciando desde la materia prima, el producto, el proceso, y luego se
describe como se realiza el balance de materia y energía para este proceso.
En la última parte, se hace mención de las conclusiones obtenidas después de la
culminación del presente trabajo.
Lo que se pretende también con este trabajo, es que los alumnos de la Escuela
Académico Profesional de Ingeniería en Industrias Alimentarias, puedan utilizar
el presente trabajo de investigación, como una guía y/o manual, para poder
ahondar más sus conocimientos en temas relaciones a la producción de alcohol
rectificado.
El Autor
12
I.
AGRO INDUSTRIAL PARAMONGA S.A.A.
1.1. Historia
La historia de Paramonga se pierde en la dimensión del tiempo, desde sus
inicios estaba considerada como LA LLAVE GEOGRÁFICA DEL
IMPERIO COSTEÑO, tenía una ubicación geográfica estratégica con
territorios ambicionados por los Incas.
Un mudo testigo de lo realizado por nuestros antepasados, para defender su
territorio ubicado a 204 Km. de Lima, es la FORTALEZA PARAMONGA.
La denominación PARAMONGA, deriva de las voces Mochica:
PARAG........VASALLOS
MUNGA.......POR AQUÍ
Los españoles, en un primer momento la denominaron PARMONGUILA,
según escritos que datan de 1549, firmados por FRAY LOPE DE LA
FUENTE y el Noble
GREGORIO DE LA PEÑA, hallados en el
MIRADOR DE LA BARRANCA, de nuestra Provincia.
Durante la conquista española nace el fundo rústico de las familias Asín y
Canaval, tiempo en que introducen elementos novedosos para la época hasta
convertirla en la Hacienda Sociedad Agrícola Paramonga.
Posteriormente la transnacional Grace & Co. adquiere la propiedad,
introduce nueva tecnología y diversifica la producción hasta convertirla en
el primer Complejo Agroindustrial Químico Papelero de la región.
Paramonga sufrió la expropiación por el Gobierno Militar del General Juan
Velasco Alvarado, que dividió el complejo en 2 empresas, la Sociedad
Paramonga Ltda., empresa estatal para la producción de papel y productos
13
químicos, y la Cooperativa Agraria Azucarera Paramonga Ltda. Nº 37,
cedida en propiedad a sus trabajadores.
Luego de 20 años de Cooperativismo, durante los cuales se redujo la
productividad y se acumularon grandes pérdidas, a principio de los 90 se
dieron normas para reflotar las empresas azucareras que estaban colapsadas,
convirtiéndolas en Sociedades Anónimas.
En el año 1996 la sociedad Río Pativilca compra la mayoría de las acciones
y toma el control de la misma.
En 1997 el grupo Wong adquiere la empresa e introduce un estilo gerencial
moderno, con una filosofía de trabajo en equipo y mejora continua,
consiguiendo resultados productivos nunca antes registrados en Paramonga.
En la actualidad posee la certificación ISO 9001:2000 y se encamina para
consolidar su liderazgo en el mercado nacional para hacer de ella una
empresa de competencia mundial.
1.1.1. Cronología
S. XVII: Fundo rústico (hacienda) - Familia Asín
1821: Sociedad Agrícola Paramonga - Familia Canaval.
1837: Se inicia la producción de azúcar de caña.
1927: Se conforma el Complejo Agro Industrial Químico Papelero Grace & Co.
1969: Se crea la Cooperativa Agraria Azucarera Paramonga Ltda. Nº
37
14
1976: Paramonga Primer Distrito Agro Industrial del Perú DS Nº 776
/23 Nov. – Alcalde Ing. Víctor Guerrero Fooks.
1994: Se vuelve a privatizar la empresa, creándose Agro Industrial
Paramonga S.A.A.
1996: Río Pativilca adquiere el 72,3% de las acciones.
1998: Paramonga logró el mayor récord de producción de toda su
Historia.
1999: Agro Industrial Paramonga S.A.A.- el Grupo Wong, adquiere el
94% de las acciones.
2000: Inicio del cambio de la cultura corporativa y los sistemas de
trabajo. Estilo gerencial moderno, con una filosofía de:
“creatividad, actitud para el cambio, trabajo en equipo y mejora
continua”. Resultados productivos nunca antes registrados en
Paramonga.
2001: Debido al éxito de los cambios realizados en el 2 000 y con la
base formada, se decidió la implementación de un sistema de
calidad basado en la norma ISO9001:2000
2002: Culmina la implementación de un Sistema de Gestión de
Calidad al obtener la Certificación ISO 9001:2000 (SGS).
Habilitación Sanitaria aplicando el Plan HACCP (DIGESA-RD
Nº 0837/2002/DIGESA/SA).
2005: Inicio de importantes proyectos de inversión, entre ellos la
Caldera Bagacera, con el cual nuestra empresa ingresa al tema
de responsabilidad social y ambiental.
15
2006: Re- Certificación ISO 9001: 2000. Consolidación de liderazgo
en el mercado nacional.
2007: Se logra nuevo récord de producción alcanzando las 122 000
toneladas, se mejora el cuidado del medio ambiente con la
puesta en operación del Caldero Bagacero CBS.
Los paramonguinos comparten con el departamento de Ancash una
historia llena de tradiciones y costumbres. Al igual que ellos, la
Virgen de las Mercedes, cuya festividad se realiza del 15 al 24 de
Septiembre, es su Santa Patrona y el Señor de la Soledad, cuya
festividad se celebra del 22 de abril al 10 de mayo, es su Santo Patrón.
1.2. Empresa
1.2.1. Denominación y Dirección
Agro Industrial Paramonga S.A.A., es una empresa que se dedica a la
producción de azúcar de caña, cuenta con 1 398 colaboradores, está
ubicada en la Av.Ferrocarril No. 212 Distrito de Paramonga, Provincia
de Barranca a 212 Km, de la ciudad de Lima.
Agro Industrial Paramonga S.A.A., es una empresa renovada,
vigorosa y en proceso de consolidar estándares de productividad a
nivel internacional. Se caracteriza por tener altos niveles de inversión,
destinados finalmente a la protección del medio ambiente como
elemento principal de nuestra política de responsabilidad social y la
eficiencia productiva para mantener una posición de liderazgo dentro
de la industria azucarera nacional.
16
1.2.2. Nuestra Visión
"Ejercer liderazgo global en el cultivo e industrialización de la caña de
azúcar y en el desarrollo de negocios vinculados."
1.2.3. Nuestra Misión
"Producir y comercializar azúcar de caña y otros bienes de negocios
vinculados para la satisfacción de nuestros clientes, mediante la
optimización
de
los
procesos,
contando
con
colaboradores
comprometidos y capacitados, logrando niveles de rentabilidad y
competitividad global, actuando con responsabilidad social y
ambiental."
1.2.4. Datos Importantes
Hectáreas
Propias sembradas
:
6 793,53
Sembradores
:
3 557,35
Total sembradas
:
10 350,88
Toneladas de caña molida
2004
: 1 095 369 Tn / año
2005
:
2006
: 1 000 903 Tn /año
2007
: 1 080 720 Tn / año
963 780 Tn /año
Producción de azúcar de caña
2004
:
120 517 Tn / azuc / año
2005
:
110 230 Tn /azuc /año
2006
:
116 540 Tn /azuc /año
2007
:
122 028 Tn / azuc / año
17
1.3. Certificación SGC ISO 9001:2000
1.3.1. Política Integrada
Agro Industrial Paramonga S.A.A. asume el compromiso de asegurar
la calidad e inocuidad de sus productos, establecer condiciones de
seguridad y salud ocupacional para sus colaboradores considerando la
naturaleza de los riesgos e impactos propios inherentes de sus
procesos.
Esta política se basa en las siguientes directrices:
1.
Enfoque a Clientes
Mantener una adecuada y fluida relación con sus clientes a fin de
satisfacer
sus
requerimientos,
consolidando
relaciones
comerciales de largo plazo.
2.
Cumplimiento de Requisitos
•
Certificación ISO 9001: 2000
•
Inocuidad alimentaria RM 449 – 2006
•
Validación Técnica Oficial del Plan HACCP (DIGESA)
•
Habilitación Sanitaria de nuestra empresa (DIGESA)
•
DS 009 – 2005 y su modificatoria DS 007-2007- TR
Seguridad y Salud Ocupacional
3.
Seguridad y Salud Ocupacional
Prevención de los riesgos y preservación de la salud ocupacional
de las personas involucradas en sus operaciones.
18
4.
Mejora Continua
Compromiso con la mejora continua del desempeño del sistema
de gestión de calidad, inocuidad, seguridad y salud ocupacional.
Capacitar y motivar a su personal para lograr un alto nivel de
compromiso, responsabilidad y eficiencia en el cumplimiento de
sus tareas con énfasis en temas de calidad, inocuidad, Seguridad y
Salud Ocupacional. (http://www.agroparamonga.com/#)
19
II. DESTILACIÓN
2.1. Principios Básicos
La destilación es un método de separación para mezclas multicomponentes,
y genera dos o más productos con un alto grado de pureza. La mezcla llega
a la torre en la corriente de alimentación y los productos se obtienen
generalmente en una corriente de destilado y una corriente de fondos. La
destilación depende principalmente de la distribución de las sustancias entre
las fases vapor y líquida y de las diferencias de volatilidad entre los
componentes de la mezcla. “La destilación es la separación física de una
mezcla en dos o más fracciones que tienen puntos de ebullición diferentes”
(Charles, 1981).
La separación de los componentes se logra creando una nueva fase que
puede o no, ser distinta de la fase de alimentación, mediante la transferencia
de calor, hasta alcanzar un determinado grado de vaporización y/o
condensación de la mezcla a lo largo de la columna. Debido a que la
destilación involucra cambios de fase continuos, la operación de una
columna requiere grandes cantidades de energía.
Entre las fases presentes en el sistema existe un contacto que permite la
transferencia de masa entre ellas. Aunque ambas tengan los mismos
componentes, existe un gradiente de composiciones que provoca dicha
transferencia. El equilibrio entre fases existe debido a que mientras el
líquido se encuentra en su temperatura de burbuja, el vapor está en su
temperatura de rocío. Así, la masa se transfiere por el vapor que se evapora
del líquido y el líquido que se condensa del vapor (Fig. 1).
20
Fig. 1 Condición de equilibrio entre fases en una columna de destilación
Fuente: Ramírez, (2006).
El contacto entre fases se puede lograr de diferentes formas, una de ellas es
empleando módulos localizados dentro de una columna o cubierta en forma
de cilindro (Fig. 2). Los más comunes utilizan platos o capuchones
distribuidos a lo largo de la columna, o empaque colocado dentro de la
misma. Para este último, existen dos formas de colocación dentro de la
torre, al azar o en un arreglo ordenado. Lo que se busca es maximizar la
transferencia de masa entre las fases, y la elección depende de las
propiedades físicas y químicas de las sustancias, la transferencia de calor y
la velocidad de intercambio de masa. (Chen, 2002).
Teniendo las condiciones de Temperatura (T) y Presión (P) a las que se da
el cambio de fase de líquido a vapor y viceversa, se puede establecer el
Equilibrio Líquido Vapor (ELV) de una mezcla multicomponente.
Del mismo modo en que una sustancia pura empieza a evaporarse cuando
alcanza su temperatura de ebullición, una mezcla multicomponente
comienza el cambio de fase, al momento en que el sistema alcanza la
temperatura de ebullición de la sustancia más volátil.
21
Fig. 2 Distintos tipos de módulos empleados en columnas de destilación
Fuente: Ramírez, (2006).
Aunque dadas las interacciones moleculares que se presentan entre las
sustancias de la mezcla, no todas las partículas del componente volátil se
evaporan en su punto de ebullición, sino que resisten en la fase líquida
incluso cuando ya se han alcanzado temperaturas muy elevadas. Así mismo,
una sustancia que es menos volátil, se evapora junto con los componentes
más ligeros en función de la estructura del sistema.
2.1.1. Descripción del Proceso
La mezcla que se desea separar se introduce a la columna (Fig. 3), y
por acción de la gravedad, el líquido se mueve hacia la parte inferior
de la columna, derramándose plato por plato en una caída tipo
cascada. El líquido que alcanza el fondo de la columna se vaporiza de
manera parcial en un rehervidor, lo que proporciona el vapor que viaja
a la parte superior de la columna. Mientras que el vapor sube a través
de la columna, para entrar en contacto con la corriente que desciende
por los platos, el líquido restante en el rehervidor se retira como
producto de fondo.
22
El vapor que llega al domo de la columna se enfría en un condensador
y pasa a la fase líquida. Una fracción del líquido es conducida
nuevamente a la torre, lo que constituye la corriente de reflujo, para
proporcionar el líquido que entra en contacto con el vapor, la otra
parte del líquido condensado se remueve como el producto destilado.
(Geankoplis, 2006)
Fig. 3 Torre de destilación multicomponentes
Fuente: Ramírez, (2006).
El esquema de reflujo en el domo de la columna de destilación
proporciona un contacto, a contracorriente, de las corrientes de líquido
y vapor, en cada plato de la torre. Las fases de líquido y vapor en un
plato dado, alcanzan el equilibrio de fases para las condiciones de T y
P. Los componentes más ligeros se concentran en la fase vapor,
mientras que los más pesados hacen lo propio en la fase líquida.
Después de lograr el equilibrio en cada uno de los platos, la fase vapor
se hace cada vez más rica en los componentes ligeros hasta que
alcanza el condensador, mientras la fase líquida hace lo propio con los
componentes pesados mientras completa la cascada hasta el
23
rehervidor. El grado de separación obtenida entre el destilado y los
productos de fondo, depende primordialmente de las volatilidades
relativas de los componentes, del número de platos y de la relación de
reflujo usada en la columna.
La alimentación generalmente se encuentra en fase líquida o con una
vaporización (v) determinada, mientras que el destilado puede ser en
fase vapor, fase líquida o ambas, y los fondos usualmente se obtienen
en fase líquida.
En resumen, la separación por destilación requiere tres condiciones
para que pueda llevarse a cabo:
La nueva fase que se forma debe estar con contacto directo con la
original y pueda establecerse la condición de ELV en cada una de las
etapas de la columna. Los componentes deben tener volatilidades
distintas para que se distribuyan en las fases a diferentes
concentraciones en cada etapa de equilibrio. La separación de la fase
líquida y la fase vapor, pueda llevarse a cabo por gravedad o medios
mecánicos simples. (Geankoplis, 2006)
2.1.2. Ventajas de la Destilación
La destilación tiene ventajas y desventajas comparada contra otros
procesos de separación. Analizando la absorción o la desorción, se
puede ver que para obtener los productos deseados, es necesaria la
adición de una nueva sustancia al sistema, la cual forma una mezcla
que posteriormente debe ser separada a menos que esta nueva solución
sea útil directamente. En el caso de la destilación esto no sucede
porque no se añade ninguna sustancia adicional al sistema original.
Otra ventaja es que el ELV es ampliamente estudiado y existen
24
muchas fuentes donde consultar los datos necesarios para poder
trabajar con la destilación.
Por el otro lado, la nueva fase que se crea difiere de la original en su
composición y contenido de calor, el cual tiene que sea añadido o
removido del sistema, lo cual implica costos que deben considerarse.
Tampoco es recomendable trabajar con sustancias que sean sensibles
al calor, ni que sean fácilmente reactivos o corrosivos.
Incluso puede presentarse el caso en que la destilación no logra
modificar en gran medida las composiciones de la mezcla original.
Puesto que el vapor es similar al líquido en términos de concentración
a determinadas condiciones de T y P, por lo que la destilación puede
ser por completo inútil para separar una mezcla determinada.
La facilidad de poder hacer una separación directa de una mezcla
mediante la destilación, y obtener los productos en una forma
altamente pura, sin incluir otros procesos más complejos, hacen de la
destilación el más importante de los procesos de transferencia de
masa, (Perry& Green, 2001).
2.2. Métodos de Predicción de Propiedades
2.2.1. Ecuaciones de Estado
Para poder describir el estado en el cual existe una sustancia, es decir,
un estado termodinámico, es necesario definir las condiciones de
Presión (P), Temperatura (T) y Volumen (V) a las cuales se encuentra.
Estas tres variables están íntimamente relacionadas por los grados de
libertad, y en conjunto definen lo que en termodinámica se conoce
como una Ecuación de Estado (EDE), tal que:
f (P,V, T ) = 0
(1)
25
Existen otras propiedades termodinámicas, tales como la energía
interna (U), la entalpía (H) y la entropía (S), que son consideradas
para poder definir distintas EDE, además de los valores de P, V y T.
También la capacidad calorífica de los gases ideales como una función
de temperatura, puede constituir una ecuación fundamental. (Ramírez,
2006).
Una ecuación de estado PVT puede usarse para evaluar diferentes
propiedades de las sustancias puras o de mezclas multicomponentes,
entre estas propiedades se tienen:
-
Densidades de fase líquida o vapor. Presión de vapor.
Propiedades críticas de mezclas. Relaciones de ELV.
-
Desviaciones de la idealidad para H y S.
En la actualidad no existe una ecuación como tal, que sea absoluta
para todos los sistemas y todas las propiedades de las sustancias, es
necesario considerar que una ecuación puede ser útil para describir a
un cierto tipo de sustancias, incluyendo sus limitaciones, ventajas y
desventajas.
El desarrollo de las EDE comenzó con el trabajo de Boyle y sus
experimentos con el aire, de los cuales llegó a la conclusión de que a
una temperatura dada, el volumen de un gas es inversamente
proporcional a su presión, lo que se traduce como:
PV = Constante
(2)
El efecto de la temperatura fue estudiado por Charles y Gay - Lussac,
quienes encontraron que esta relación es de tipo lineal:
26
V = Vo(1 + k T )
(3)
Clapeyron juntó estos dos resultados y obtuvo la Ley de los Gases
Ideales, la cual después de algunas revisiones quedó establecida como:
PV = RT
(4)
Donde:
R: Constante universal de los gases.
De la cual se puede definir el factor de compresibilidad como:
(6)
Sin embargo, la ley de los gases ideales no considera la existencia de
una fase líquida cuando se tienen las condiciones apropiadas de
presión y temperatura.
Las investigaciones de Dalton y su ley de presiones parciales
contribuyeron al desarrollo de esta ecuación, al considerar que el
volumen de una mezcla de gases es la suma del volumen de sus
componentes, cada uno de los cuales se encuentra a la temperatura y
presión de la mezcla. (Ramírez, 2006).
Otro de los avances significativos se presentó con la definición del
estado crítico por Cagniard de la Tour, en esta condición, las
propiedades de los gases y los líquidos se vuelven indistinguibles.
Desde el comienzo se propuso que la Ley de los Gases Ideales es sólo
una aproximación del comportamiento real. Las desviaciones de la
idealidad, fueron atribuidas a los volúmenes finitos ocupados por las
moléculas y a las fuerzas de atracción y repulsión entre ellas. Estas
27
desviaciones fueron tomadas en cuenta por Van der Waals y fueron
descritas cuantitativamente en la ecuación que lleva su nombre, y que
es la base de muchas ecuaciones PVT aceptadas en la actualidad.
La ecuación de Van der Waals predice la coexistencia de las fases
líquida y vapor y el estado crítico. Uno de los más grandes avances de
este trabajo es el Principio de Estados Correspondientes. (Ramírez,
2006).
a.
Van der Waals
Debido a que la ley de los gases ideales no es adecuada para
lograr una representación del comportamiento real de los
sistemas, se ha propuesto multitud de EDE distintas. Las
diferencias principales son que, para una ecuación dada, sólo se
puede trabajar en un rango de P o de T, funciona para un
particular tipo de sustancia o propiedad termodinámica, o que
exista una ventaja en el tratamiento de los datos del sistema.
(Himmelblau, 2000)
Una de las ecuaciones más importantes es la de Van der Waals
(1873), que se definía "en la continuidad del estado gas y
líquido", la expresión es la siguiente:
(7)
Donde a es el parámetro de atracción entre las moléculas y b el de
repulsión. Dado que esta es una ecuación de tercer grado para el
volumen, la representación gráfica de una isoterma subcrítica
tiene tres raíces reales positivas, mientras que las isotermas
supercríticas tienen sólo una.
28
Para las isotermas subcríticas, la raíz más pequeña corresponde al
volumen específico de la fase líquida; la raíz mayor se refiere a la
fase vapor, y la raíz intermedia no tiene un significado físico.
El principio de estados correspondientes surge de la sustitución de
los parámetros a y b por sus equivalentes críticos, lo que resulta
en la ecuación:
(8)
A la cual se le da el nombre de ecuación reducida de estado, dado
que las propiedades PVT se encuentran en su forma reducida, es
decir, son divididas por su correspondiente valor crítico:
Presión reducida:
(9)
Volumen reducido:
(10)
Temperatura reducida:
(11)
Así, el principio de estados correspondientes dicta en su primera
declaración que: sustancias con presiones y temperaturas
reducidas iguales, tienen volúmenes reducidos iguales.
La ecuación en su forma reducida es, generalmente aplicable a
toda sustancia, aunque las propiedades reales pueden ser
obtenidas de la ecuación sólo si se conocen las propiedades
críticas individuales.
29
Aunque los estados correspondientes no se pueden aplicarse a las
mezclas de la misma forma que a las sustancias puras, si se toman
en cuenta ciertas restricciones no debe existir un mayor problema.
Si se está manejando una mezcla multicomponente, es necesario
considerar que las propiedades críticas son el resultado de las
interacciones entre las moléculas de las sustancias presentes.
Las propiedades pseudocríticas son el resultado de estas
interacciones, y están definidas en términos de la composición y
las propiedades críticas de los constituyentes puros. Esto lleva a la
definición de los parámetros a y b en función de reglas de
mezclado que ajustan de mejor manera la predicción de la
ecuación.
La aplicación de los estados correspondientes a las presiones de
vapor, no se puede expresar como una única relación para todas
las sustancias, debido al comportamiento distinto de cada
sustancia en función de sus temperaturas críticas individuales.
Esto lleva a la definición de un parámetro a>llamado factor
acéntrico, que describe las desviaciones de la presión de vapor
reducida para una sustancia en particular. (Himmelblau, 2 000).
El comportamiento de las mezclas multicomponentes es
naturalmente afectado por las interacciones entre moléculas,
principalmente si éstas son polares, siendo las más importantes
aquellas que se llevan a cabo entre pares de componentes.
La incorporación de estas interacciones, sumada a la de los
componentes puros, lleva a una mayor precisión en la predicción
de las EDE. Para una mezcla de n componentes, se tienen n(n1)/2 posibles parámetros de interacción binaria kiJ. Estos
parámetros pueden aplicarse en las EDE en dos formas:
30
Como un ajuste de las propiedades pseudocríticas de un par de
componentes. Como un ajuste directo de algunos de los
parámetros de las EDE.
b. Redlich–Kwong
Redlich y Kwong introdujeron su ecuación de estado en 1949, y
en ese momento fue considerada como uno de los avances más
importantes en comparación con otras ecuaciones existentes
mucho más simples. La ecuación es la siguiente:
Está basada en la ecuación de Van der Waals, aunque fue
calificada por sus autores como una modificación empírica de sus
predecesoras. (Ramirez, 2006).
El término T0'5 refleja claramente la dependencia de la
temperatura del parámetro a, y los valores correspondientes para
a y b se calculan con lo siguiente:
31
Los valores para los coeficientes Qa y Qb varían de sustancia a
sustancia. En investigaciones recientes, estos coeficientes han sido
correlacionados en términos de temperatura reducida y del factor
acéntrico.
Para el caso de las mezclas multicomponente, los parámetros de
interacción binaria deben ser considerados para lograr una buena
predicción.
En algunas aplicaciones, los investigadores han optado por otras
ecuaciones, que aunque son del mismo tipo, requieren de más
información sobre los componentes de las mezclas.
La ecuación de Redlich - Kwong no se ajusta muy bien a la fase líquida,
por lo que no puede ser usada para calcular el ELV, sin embargo,
cuando se utiliza en combinación con otros métodos de predicción, tales
como correlaciones para fase líquida o con métodos de coeficiente de
actividad, se logran excelentes resultados. (Ramírez, 2006)
2.3. Algoritmos de diseño para una torre de destilación
2.3.1. Método Gráfico de McCabe - Thiele
Para realizar el diseño de una torre de destilación, se puede recurrir a
diversos métodos o algoritmos de diseño, entre ellos tenemos el método
gráfico de McCabe-Thiele, que está pensado para manejar mezclas binarias.
En base a los diversos elementos del diagrama elaborado, se pueden
conjuntar condiciones o características establecidas para la construcción de
la torre, como son el número de platos reales y el plato de alimentación; las
32
variables deseadas tales como composiciones de alimentación, destilado y
fondos.
Se puede trabajar en el cálculo de los platos mínimos (Nmin), el reflujo
mínimo (Rmin), el reflujo óptimo (Ropt), el número de platos óptimo (Nopt) y
el plato de alimentación óptimo.
Es un método muy útil que hace una serie de simplificaciones para tratar al
sistema de una manera sencilla y práctica; para el diseño en la columna, no
necesita datos detallados de entalpía, necesarios para los balances de
energía. (Ramirez, 2 006).
Supone que no existen pérdidas de calor excesivas; supone también que los
flujos de líquido y vapor que circulan entre las etapas son constantes a lo
largo de las zonas de rectificación, alimentación y agotamiento.
Fig. 4 Diagrama Pxy para una mezcla binaria.
Fuente: Ramírez, (2006).
Está basado en la representación lineal de las ecuaciones de balance de
materia en un diagrama Pxy (Fig.4), mediante líneas de operación y
equilibrio sobre la curva de ELV, que forman las etapas que tienen
corrientes de líquido y vapor en contacto.
33
El diagrama utilizado es generalmente el que corresponde al componente
más volátil de la mezcla.
El método de McCabe - Thiele divide al diagrama Pxy en dos zonas: la zona
de rectificación, situada en los platos superiores al plato de alimentación, y,
la zona de agotamiento, que se localiza en los platos inferiores.
Para construir el diagrama Pxy es necesario hacer los balances de materia
por zonas, y en el caso de la rectificación se tiene:
Las ecuaciones obtenidas en los balances de materia por zonas representan
el modelo de ecuación para una línea de la forma y=ax+b, en donde se tiene
una composición conocida para los valores de xDy xB.
El diagrama se construye a partir de un punto en la línea de referencia
diagonal que representa la composición deseada del producto más volátil, en
la corriente de destilado, luego, se traza la línea de rectificación resolviendo
la ecuación correspondiente para un punto dado de la línea. (Ramírez,
2006).
Fig. 5 Líneas de rectificación, agotamiento y alimentación
Fuente: Ramírez, (2006).
34
El siguiente paso es trazar la línea correspondiente a la ecuación de la
alimentación de la torre, nuevamente parte de la línea de referencia del
diagrama y se prolonga hasta intersecar con la línea de rectificación en
función de la condición a la que se encuentra la corriente de alimentación,
desde líquido subenfriado, hasta vapor sobrecalentado. Condición que se
calcula a partir del balance de materia por componentes de la alimentación.
La línea de agotamiento se genera a partir del punto en la línea de
referencia, que corresponde a la concentración del componente más volátil
en el producto de fondos, y al punto donde se cortan las rectas de
rectificación y alimentación. La construcción de estas líneas se observa en la
Fig. 5. Para continuar el método gráfico, se traza una línea horizontal entre
la línea de rectificación y la curva de ELV, a partir de la composición del
destilado (líneas de operación); luego una línea vertical entre la curva de
ELV y la línea de rectificación (líneas de equilibrio); con esto se crea un
patrón escalonado, que representan las etapas en las cuáles las corrientes de
líquido y vapor están en contacto en la zona de rectificación. (Ramírez,
2006)
Fig. 6 Desarrollo escalonado de líneas que representan las etapas de una
torre
Fuente: Ramírez, (2006).
35
Cuando se alcanza la línea de agotamiento, el trazo de operación y
equilibrio se hace ahora entre la curva de ELV y la de agotamiento. Estas
líneas alternadas tienen su origen, en la fracción mol del componente más
volátil en el destilado y terminan hasta que alcanzan o superan la fracción
mol del volátil en los fondos (Fig. 6)
Existe una condición de etapas mínimas, cuando se hacen los balances de
materia suponiendo que el flujo total de vapor a lo largo de la torre, regresa
hacia la misma en forma de líquido después de una condensación, además,
el flujo de líquido que fluye en la torre es evaporado para regresar al
sistema. Condición también conocida como reflujo total. (Ramírez, 2 006)
Fig. 7 Etapas mínimas para una torre (reflujo total)
Fuente: Ramírez, (2006).
El significado físico es que todo el material dentro de la torre está disponible
para realizar la transferencia de masa entre las fases, por lo que existe
suficiente contactoentre las mismas para optimizar la separación de los
componentes, y no se necesitan más etapas de equilibrio (Fig. 7).
36
El caso contrario es cuando el reflujo en la torre es el mínimo posible, lo que
provoca que no exista un contacto entre fases dado que no se está
recirculando el líquido necesario para modificar la composición del vapor.
Por ello se necesitan más y más etapas que tratan de maximizar la
transferencia con el poco material que está dentro de la columna.
En la Fig. 10, se observa cómo el número de platos se hace mayor conforme
se acerca el punto donde convergen las líneas de rectificación y agotamiento
a la curva deELV. (Ramírez, 2006).
Para calcular el valor de Rmin se emplea la ecuación para la zona de
rectificación, dado el valor de su pendiente. Tomando en consideración
únicamente la fracción del componente en el destilado, así como el valor del
punto donde la línea de rectificación toca al eje de las ordenadas, es decir,
sólo el valor de un punto en el diagrama Pxy, con ello tenemos pues:
De donde se despeja el valor para Rm¡n.
Fig.8 Etapas infinitas para una torre (reflujo mínimo)
Fuente: Ramírez, (2006).
37
2.3.2 Eficiencia de Murphree
En la destilación, influyen muchos factores en el desempeño de la columna,
que hacen que la separación de los componentes no se lleve a cabo
completamente con los elementos calculados en el diseño.
En la realidad, el número de platos teóricos resultan insuficientes, es decir,
existe una cierta eficiencia de los mismos, que hace necesario calcular los
platos reales que tendrá una torre. La eficiencia de Murphree permite
conocer el grado de separación real que se está obteniendo la columna y está
definida como:
En donde:
yn : Concentración actual del vapor que deja el plato n.
yn+1: Concentración actual del vapor que llega al plato n.
yn*: Concentración del vapor en equilibrio con el líquido que bajo del plato
n.
Así pues, la eficiencia de Murphree es el cambio de la composición del
vapor de un plato hacia el siguiente, entre el cambio que habría ocurrido en
el vapor si estuviera el equilibrio con el líquido que sale del plato.
Aunque la eficiencia de Murphree está definida en términos de las
concentraciones de vapor, resulta difícil tomar muestras confiables de esta
fase, por lo que se toman muestras del líquido en los platos, entonces se
calcula la eficiencia a partir de las composiciones de este muestreo, otra
opción es determinar las composiciones del vapor mediante un diagrama de
McCabe - Thiele. (Ramirez, 2006).
Si se conoce la eficiencia de Murphree, ésta puede emplearse fácilmente en
un diagrama de McCabe - Thiele para conocer el número real de platos con
respecto al número ideal.
38
El triángulo abc representa el plato ideal y el triángulo cde el plato real.
Puede comprobarse que el vapor representado por bc es sustituido por el
vapor menos rico en el componente volátil dado por ce. Así la eficiencia de
Murphree puede calcularse con la relación bc/ce. (Ramirez,2 006)
Cuando se aplica la eficiencia en toda la columna, es necesario reemplazar
la curva de equilibrio ideal por una curva de equilibrio real (en la Fig. 2.9,
las líneas punteada y continua respectivamente), que se calcula con:
Fig. 9 Eficiencia de Murphree en el diagrama Pxy
Fuente: Ramírez, (2006).
La curva de equilibrio calculada, se representa un valor de T|Mde 0,8. Puede
verse que la línea de equilibrio real depende de la curva de equilibrio ideal y
de la línea de operación.
La construcción del diagrama de McCabe - Thiele usando la eficiencia de
Murphree, sigue los mismos pasos descritos anteriormente, y únicamente se
39
usa la curva de equilibrio ideal cuando se hace el trazo para el rehervidor de
la columna.
2.3.3. Método de Fenske - Underwood - Gilliland
El diseño para una torre de destilación de una mezcla multicomponente, con
una alimentación, una salida de destilado y una salida de fondos, sin salidas
laterales, se puede realizar con el método de FUG.
El algoritmo comienza estimando las composiciones de fondos y destilado.
Con éstas se calcula la presión de operación de la torre. Con estos datos se
calcula el número mínimo de platos con la ecuación de Fenske, tomando en
cuenta solamente a los componentes clave ligero y clave pesado, supone una
volatilidad relativa media en toda la columna sólo en base a los
componentes clave.
Una vez obtenido el número de platos se calcula la redistribución de los
componentes no clave de fondos y destilado, para revisar si las estimaciones
de composición son correctas. (Ramírez, 2006).
Las ecuaciones de Fenske son las siguientes:
Donde:
a: Es la volatilidad relativa media.
40
b: Fondos.
d: Destilado.
f: Alimentación.
/: Componente clave ligero.
/': Componente clave pesado
r : Componente referencia.
Si las estimaciones son iguales a las redistribuciones se continúa con el
algoritmo, de lo contrario se regresa a recalcular la presión de operación de
la torre. El reflujo mínimo de la torre se calcula a partir de las ecuaciones de
Underwood, probando que tipo de separación es, tipo 1 cuando todos los
componentes se distribuyen (sustancias con puntos de ebullición similares),
o tipo 2 si uno o más de los componentes no aparece en uno de los
productos (dos puntos pinch en la torre), de acuerdo a las siguientes
ecuaciones:
Tipo 1o.
(22)
Tipo 2°.
Donde:
HK: Componente pesado.
LK: Componente ligero.
F : Flujo de alimentación
D : Flujo de destilado.
L: Flujo de líquido.
V: Flujo de vapor.
41
Para estas ecuaciones se requieren los datos del flash de la alimentación a
las condiciones de operación de la torre. (Ramírez, 2006)
Ya con estos datos de reflujo mínimo y platos mínimos se puede proseguir a
calcular el número de platos teóricos reales, mediante la ecuación de
Gilliland:
El último paso del método de FUG es el cálculo de la etapa de alimentación.
Este cálculo se realiza a partir de la ecuación de Kirkbride y la relación de
platos de rectificación y agotamiento con los platos totales:
2.3.4. Modelo Termodinámico para la Destilación
El proceso completo de transferencia de masa y energía en una columna de
destilación real, es demasiado complicado para modelarlo directamente de
una forma sencilla.
Para poder simplificar esta tarea es necesario implementar un modelo
basado en etapas de equilibrio. Al hablar de un sistema en ELV, se establece
que, las corrientes de líquido y vapor que salen de una etapa en equilibrio,
están en equilibrio completo entre sí, y entonces, el uso de modelos
termodinámicos para relacionar las concentraciones de las dos corrientes en
equilibrio es posible.
42
Tomando como base una torre hipotética que se compone de etapas de
equilibrio en lugar de verdaderos platos de contacto entre fases, se realiza la
separación especificada para una columna real usando métodos cortos,
gráficos o rigurosos de diseño. (Codistil, 2004).
Los resultados obtenidos para el número de etapas de equilibrio necesarias,
se transforman a un número dado de platos reales, considerando las
eficiencias de plato que predicen el rendimiento real de una etapa de
equilibrio en función del rendimiento neto de la etapa hipotética.
Utilizando el modelo de etapas de equilibrio, el diseño de una torre de
destilación puede describirse en tres elementos bien definidos:
Es preciso determinar con absoluto cuidado la base de datos de ELV
(validación de consistencia termodinámica) y los modelos termodinámicos a
emplear en la predicción del comportamiento del equilibrio de fases.
Hay que calcular el número de etapas teóricas necesarias para alcanzar un
grado determinado de separación, o si se tiene un número dado de etapas de
equilibrio, se calcula la separación que es posible obtener para la mezcla a
destilar. Los resultados obtenidos con el diseño de la torre deben ser
convertidos a un valor equivalente en platos reales para la torre o en su caso
la altura del empaque contenido en la columna. (Codistil, 2004).
2.3.5 Métodos Rigurosos
Los métodos rigurosos son una forma de solución para el diseño de una
torre, parten de un sistema multicomponente el cual se encuentra en
equilibrio líquido - vapor, dentro de la etapa j de un sistema de separación
complejo.
El sistema se representa mediante el uso de las ecuaciones MESH (Masa,
Equilibrio, Sumatorias y Entalpía), las cuales plantean en conjunto un
sistema de ecuaciones altamente no lineal que resuelve los balances de
43
materia y energía para cada componente y cada fase del sistema, así como
las composiciones de los mismos en el equilibrio de la etapa.
Las ecuaciones son las siguientes:
Masa:
Equilibrio:
Sumatorias:
Entalpía:
Existen diferentes métodos de solución para este sistema de ecuaciones,
entre ellos tenemos:
-
Método de Punto de Burbuja.
-
Método de Corrección Sucesiva o de Naphtali - Sandholm.
-
Método Inside - Out o de Boston - Sullivan.
La solución de cada uno depende del método numérico que se emplee y de
la elección de las variables de corte.
44
Vj
Líquido Procedente
de la etapa superior
Lj - 1
Corriente lateral de
vapor
Wj
Yij
HLj - 1
Tj – 1
Pj - 1
Xij - 1
HVj
Tj
Pj
Carga
L
Válvula
F
Transferencia de
Calor
Alimentación
Etapa j
Qj
Fj
Xi
HFj
TFj
PFj
(+) Desde la Etapa
(-) Hacia la Etapa
Válvula
V
Yi,j + 1
HVj + 1
Tj + 1
Pj + 1
Vj - 1
Vapor procedente
de la etapa
t inferior
Lj
Xi,j
HLj
Tj
Pj
Corriente lateral
del líquido
Uj
Fig. 10 Diagrama de una etapa de equilibrio para las ecuaciones MESH
Fuente: Henley, (1999).
El método de Punto de Burbuja se utiliza para mezclas de componentes con
puntos de ebullición cercanos, el problema surge cuando se están manejando
mezclas no ideales, puesto que no alcanza una convergencia adecuada.
(Codistol, 2004)
45
El método de Corrección Sucesiva es un modelo iterativo que se resuelve
usando Newton - Raphson.
Boston - Sullivan fue propuesto en 1974 para la destilación de
hidrocarburos, pero actualmente se utiliza en casi todas las separaciones
multicomponentes. Emplea dos modelos de propiedades: el empírico y el
riguroso. El modelo empírico se usa principalmente para la convergencia del
ciclo interno del sistema, mientras que el riguroso se ocupa del ciclo
externo. Este modelo es muy útil debido a que reduce el tiempo de cómputo
de las propiedades termodinámicas.
(Stalling, 2007)
46
III
PROCESO DE ELABORACIÓN Y RECTIFICACIÓN DEL ETANOL
3.1
Materia Prima
3.1.1. La Melaza
Las melazas son las aguas madres extraídas por centrifugación en la
elaboración del azúcar de caña. Estas contienen tan pequeñas
cantidades de sacarosa, que no resulta económicamente rentable su
extracción mediante cristalización. Se presenta como líquido denso,
siruposo, con olor agradable.
La melaza de caña de azúcar es una mezcla compleja de sacarosa,
azúcares reductores de diversa estructura tales como glucosa, fructosa,
refinosa, etc. Además sales y constituyentes alcalinos presentes en el
jugo de caña.
A parte de todo esto, las melazas generalmente contienen sustancias
reductoras, no fermentables por las levaduras, formadas por
constituyentes volátiles así como el hidroximetilfurfural, acetona,
ácido fórmico, ácido levulínico, los cuales son productos de la
descomposición de la fructosa, que por exceso de calor se deshidratan
formando compuestos de tipo glutusas de color oscuro que en la
industria azucarera se conocen con el nombre de caramelos, los cuales
falsean la calidad de las melazas.
Las melazas se obtienen en cantidades alrededor del 3 a 4 % de la
caña producida para la obtención de azúcar, la calidad de la melaza
mejora cuando la relación de azúcares totales y cenizas sulfatadas es
mayor de 50/12 (James, 1991).
47
3.1.2 Composición Fisicoquímica
(Promedio)
-
°Brix
85
-
Pureza
42%
-
pH
5,5
-
Cenizas Sulfatadas
12% (máximo)
-
Azúcares totales
50%
* Sacarosa
35%
* Azucares reductores
15%
(Reventos, 1986, Pág. 8 -9).
3.2
Producto
3.2.1 Definición del Producto
El origen etimológico de la palabra alcohol se encuentra en el árabe
“alcohol” que significa tenue. Su nombre químico es alcohol etílico
C2H5OH, MetilCarbonil; se denomina también alcohol de granos,
espíritu de vinos, etc.
El alcohol etílico, químicamente es un compuesto de tres elementos
simples: carbono, hidrógeno y oxígeno; pertenece a la numerosa serie
de los “alcoholes” que tienen todos propiedades o iguales o análogas y
que, sometidos a una parcial oxidación de modo que se realice la
fijación del oxígeno se obtienen compuestos muy volátiles y poco
estables, llamados aldehídos.
3.2.2 Características
El alcohol se mezcla con el agua en todas proporciones y a cualquier
temperatura, desarrollando calor y con contracción de volumen, por
esto la mezcla de agua y alcohol es menor que la suma de los
48
volúmenes de los componentes.
El alcohol absoluto es ávido de agua e higroscópico, tanto que
teniendo en recipiente abiertos, absorbe agua de la atmósfera,
reduciéndose a 95° - 96°. El etanol normalmente se destila a una
concentración de 96 % de etanol y 4% de agua.
a.
Características Organolépticas
A presión y temperatura ordinaria:
-
Color
:
Líquido incoloro muy fluido
-
Olor
:
Penetrante
-
Sabor
:
Cáustico y abrasador
-
Aspecto
:
Limpio
b. Características Fisicoquímicas
-
Fórmula Química
:
CH3CH2OH
-
Peso Molecular
:
46,07
-
Peso específico
:
0,8123 gr/L
-
Índice de refracción
:
1,3619
-
Punto de ebullición
:
78,5 °C
-
Punto de congelación
:
-117,3 °C / -178 °F
-
Temperatura crítica
:
243 °C
-
Capacidad Calorífica
:
0,14 Kcal/Kg
-
Calor latente
:
243 Kcal/Kg
-
Densidad
:
0,794 g /cm3
-
Tensión superficial
:
21,38 Dynas/ cm2 a 40 °C
49
3.2.3. Composición
El etanol es un compuesto ternario, se compone de carbono, oxígeno e
hidrógeno y su composición porcentual es:
Peso molecular
:
46,07
Fórmula Química
:
C2H5OH
Las cantidades de cada componente en la fórmula química, y sus
respectivos porcentajes son:
-
Carbono
:
24,02 .....
52,14 %
-
Oxígeno
:
15,99 .....
34,71 %
-
Hidrógeno
:
6,06 ......
13,15 %
Total
.....
100,00 %
3.2.4. Aplicaciones
a.
Como Materia Prima en Procesos Industriales
Se
utiliza
como
disolvente,
como
agente
extractivo,
anticongelante. También se usa para la preparación de agentes
oxidantes como por ejemplo, el ácido de etilo.
Los derivados del alcohol se utilizan para la fabricación de
colorantes, drogas, caucho sintético, detergentes, etc.
b. Para la Elaboración de Licores de Fantasía
Para la preparación de bebidas alcohólicas a partir de las mezclas
alcoholizada o jarabes azucarados; el cual tiene aceptable
demanda en el mercado nacional.
50
c.
En la Industria Farmacéutica
Los laboratorios farmacéuticos utilizan el alcohol etílico en
grandes cantidades, para este propósito el alcohol es rectificado a
gran pureza no menor a 96 ° Gay Lussac para que su capacidad
antiséptica y desinfectante sea óptima.
d. En la Industria Automotriz
El etanol se utiliza como combustible automotriz y también puede
mezclarse con gasolina para formar lo que se ha llamado
“Gasohol”, las mezclas más comunes contienen 20% de etanol y
80% de gasolina. Más de 1000 millones de galones de etanol
están mezclándose con gasolina todos los años en Estados
Unidos.
El gasohol permite una mejor combustión ya que la molécula de
etanol contiene oxígeno, produciendo menos emisiones, evitando
el incremento elevado de la contaminación, además el etanol es
un combustible renovable.
e. En la Industria de Perfumes
Como componentes de diversos cosméticos y artículos de tocador,
en la preparación de lociones astringentes, líquidos tonificantes de
la piel, mezclas para higiene bucal y dental, fijadores y lociones de
cabello, etc. (Reventos, 1986, Pág. 8 -9).
3.3. Proceso
3.3.1 Dilución de la Melaza
Es un tratamiento previo a la Fermentación en el cual se someten las
melazas para alcanzar la concentración de sólidos y azúcares a fin de
que las levaduras consigan desdoblarlos totalmente, la dilución se
realiza con agua tratada; la dilución debe de alcanzar los 20°Brix.
51
Las melazas tienen una densidad alta y son alcalinas. La sacarosa que
contienen no es fermentable directamente y por eso las melazas son
sometidas a este tratamiento preventivo con agua obteniendo de esta
manera el mosto.
La reacción química que se produce en la dilución es la siguiente:
Inversión de la Sacarosa:
C12H22O11
+
Sacarosa
H2O Invertasa
Agua
C6H12O6
+ C6H12O6
d-Glucosa
d-Fructosa
Esta reacción es producida por la enzima Invertasa; simultáneamente
se producen otras reacciones de poca trascendencia.
3.3.2 Pre-Fermentación
a.
La Levadura
Las levaduras son microorganismos unicelulares y carecen de
clorofila, se encuentran muy difundidas en la naturaleza, y en
todas las frutas.
El término "levadura" se refiere más a una vida-estilo que a una
clasificación del phylogenetic. La levadura se refiere a la fase
unicelular de los ciclos de vida de muchos hongos diferentes, pero
normalmente se usa más como un término genérico para hongos
que tienen sólo una célula.
De la gran variedad que existen se han hecho varias
clasificaciones basadas en su forma de reproducción; de todas las
especies sólo algunas son utilizadas en la producción de alcohol,
como:
Saccharomyces
Cervisae,
Saccharomyces
Uvarum,
Saccharomyces Elipsoidesus, que pertenecen a la familia
Sacharomycetacea.
52
El proceso de Pre-fermentación consiste en dar lugar al
acondicionamiento de la levadura, mediante la propagación de
esta, dicha propagación es ayudada por la adición de ácido
sulfúrico para alcanzar un pH de 2,5 a 3,0; inyección de aire ya
que estos microorganismos son aerobios y también anaerobios; es
por eso que se les llaman microorganismos facultativos, también
se les agrega nutrientes para su mejor desarrollo.
La pre-fermentación se puede realizar de tres formas:
-
A nivel de laboratorio.
-
Después de una interrupción de la producción.
-
De rutina.
3.3.3 Fermentación
La fermentación se define como el proceso mediante el cual en un
sustrato orgánico, se realizan cambios químicos. Los sustratos pueden
ser hidratos de carbono, grasas, proteínas, o cualquier otro tipo de
materia orgánica, los que por acción de las enzimas (Zimasa)
producidas por la levadura, dan lugar a numerosos cambios
bioquímicos. Si no existiesen enzimas (Zimasa) sería imposible la
fermentación alcohólica.
La fermentación es la parte más importante del proceso de elaboración
de etanol y de la forma como se conduzca depende de que la
transformación del azúcar en alcohol sea total; es decir el rendimiento
de las materias primas utilizadas sean óptimos.
Energía de la Fermentación
Cada molécula de hexoxa fermentada produce dos moléculas de etanol
y otras dos de dióxido de carbono.
La pérdida total de energía durante el proceso de fermentación es de
unas 50000 calorías por cada molécula gramo de glucosa fermentada.
53
Zimasa
C6H12O6
a.
====
2C2H5OH + 2CO2 + 50 000 cal
Fases de la Fermentación Alcohólica
La fermentación alcohólica, según su intensidad de producción de
CO2, de alcohol, y de desprendimiento de calor, puede ser
dividida en tres fases:
a.1. Fermentación Preliminar
Acondicionándose al mosto la levadura alcohólica esta,
desde que las condiciones sean favorables, tienden a
multiplicarse hasta llegar a un límite llamado “Número
límite de Braun”. Esta fase de la multiplicación celular o
crecimiento es llamada fermentación preliminar, esta se
inicia cuando se adiciona la levadura al mosto y termina
cuando el desprendimiento de gas se torna evidente.
a.2. Fermentación Principal
El término de fermentación preliminar señala el inicio de la
fermentación principal. Este inicio se caracteriza por el
desprendimiento de CO2, se nota que la producción de este
gas,
al
principio
incipiente
que
va
aumentando
progresivamente y con rapidez, dando la impresión muchas
veces al observar que el mosto está en plena ebullición.
La formación de alcohol es máxima y rápida en esta fase
como esto se debe a la transformación del azúcar,
evidentemente el °Brix va cayendo hasta el punto de la
fermentación complementaria. En esta etapa deben de
usarse antiespumantes para evitar la pérdida de levadura y
mosto por arrastre con el CO2.
54
a.3. Fermentación complementaria
La disminución en la intensidad del desprendimiento de gas
carbónico, la caída gradual de la temperatura, caracteriza el
inicio de la post fermentación. Es justamente en este
momento que aparecen la mayor parte de las infecciones.
También en esta fase se forman los alcoholes superiores
homólogos, de los cuales constituye la mayor parte del
aceite de fúsel, esto quiere decir que a mayor brevedad de
esta fase dará un alcohol de mejor calidad, más fino.
Se debe comenzar a destilar cuando den tres lecturas
consecutivas parecidas o cuando de 3 a 4 horas den el
mismo °Brix. Esta medida se realiza con el brixómetro una
vez alimentada la cuba de fermentación hasta que den tres
lecturas parecidas; la medición debe de realizarse en
intervalos de 1 hora. (Reventos, 2000)
b. Proceso Melle Boinot
Al comienzo de la fabricación del azúcar, se inicia la
fermentación por el proceso de cortes hasta que todas las cubas
estén llenas, momento en que se es puesto en práctica el proceso
Melle-Boinot.
Terminada la fermentación, la cual es verificada por la atenuación
del °Brix, el mosto fermentado es bombeado para un decantador
y/o filtro situado en un piso superior al de las centrífugas, de
manera de hacer carga sobre la misma.
En este decantador y/o filtro, se eliminan las impurezas, sobre
todo las sólidas para evitar el taponamiento de las tuberías, y
estas son conducidas a una cuba volante para su posterior envío a
las columnas de destilación.
55
El vino con levaduras es alimentado a la centrífuga, donde se da
la preparación de la leche de levadura y del vino sin levadura por
acción de la fuerza centrífuga. (Reventos, 2000)
El vino sin levadura lleva consigo gran cantidad de bacterias y es
encaminado para la cuba volante y de ahí para los equipos de
destilación, en cuanto que la leche de levaduras con volumen
correspondiente cerca del 10% de la capacidad de la cuba de
fermentación es encaminada a los prefermentadores para su
tratamiento.
El proceso Melle-Boinot, es un proceso intermitente o
semicontinuo debido a la completa recuperación del fermento de
cada tanque de fermentación, donde las levaduras son utilizadas
repentinamente durante mucho tiempo, es de fundamental
importancia en el equipamiento del proceso, la instalación de las
centrífugas separadoras de levadura.
El inicio de la recuperación de la levadura coincide con la
culminación de la fermentación principal, momento en que se
bombea el mosto fermentado a un decantador de sólidos de donde
se alimenta por gravedad a la centrífuga, en estas condiciones se
recuperara la mayor cantidad de levadura en su mayor actividad.
El volumen recuperado de levadura constituye de 10 a 15 % del
volumen de los tanques de fermentación. (Reventos, 2000).
c.
Rendimientos de la fermentación Alcohólica
La cantidad de alcohol obtenida a través de la fermentación
alcohólica constituye el principal coeficiente de la medida de su
actividad, o sea, de su rendimiento. Para proceder a este cálculo,
son necesarios los datos obtenidos por las determinaciones
cuantitativas de los azucares totales, contenidos en el mosto y del
porcentaje del alcohol del mosto.
56
La concentración de azucares totales es obtenida transformando
los azucares presentes en el mosto, en azucares totales, es
constituida de azucares fermentables; y la otra fracción restante es
de pequeña proporción de sustancia reductora no fermentable.
(Reventos, 2000)
Rendimiento Gay Lussac
Denominado también rendimiento ideal ya que no considera
ninguno de los factores mencionados anteriormente y esta
expresada por la ecuación de Gay Lussac; el cálculo del
rendimiento ideal en el alcohol etílico, a partir de los azucares
está dado por la siguiente secuencia:
*
C12H22O11 + H2O ==== C6H12O6 + C6H12O6
Sacarosa
*
Agua
Glucosa
Fructosa
2 C6H12O6 ==== 4C2H5OH + 4CO2
Glucosa
Etanol
Dióxidodecarbono
342 g de Sacarosa
-----
184 g de Etanol
100 g de Sacarosa
-----
X
X = 53,80 g de Etanol = 67,79 ml Etanol a15 °C
360 g de Glucosa
-----
184 g de Etanol
100 g de Glucosa
-----
X
X = 51,11 g de Etanol = 64,41 ml Etanol a15 °C
Rendimiento Pasteur
En virtud de la presencia de las fermentaciones del gas carbónico
de la glicerina, del ácido succínico, etc., productos normales de
una fermentación alcohólica, Pauster demostró ser imposible
obtener más de 51,11 gramos de etanol, a 15 ºC, a partir de 100 g
de glucosa aun en condiciones rigurosas de pureza y con toda
57
precisión de experimentación científica, estableciéndose así el
llamado rendimiento teórico de Pauster. (reventos, 2000)
Se sabe que este rendimiento, en la actualidad es fácilmente
obtenido y muchas veces sobrepasado, cuando se adopta el
proceso de conducción de la fermentación alcohólica de “MELLE
BOINOT”, sin embargo el rendimiento teórico tiene cierto interés
cuando se adopta el proceso clásico de fermentación.
*
Utilizaremos un Rendimiento Pasteur 0.935 rendimiento
teórico Gay Lussac (rendimiento promedio).
342 g de Sacarosa
-----
172,04 g de Etanol
100 g de Sacarosa
-----
X
X = 50,30 g de Etanol = 63,35 ml Etanol a15 °C
360 g de Glucosa
-----
172,04 g de Etanol
100 g de Glucosa
-----
X
X = 47,79 g de Etanol = 60,19 ml Etanol a15 °C
Se debe de tener en cuenta que el CO2 también arrastra
alcohol en la fermentación, lo que equivale un 0,6%.
3.3.4 Centrifugación
La separación se realiza por un rotor con boquillas de descarga de
sólidos. El material en proceso es alimentado continuamente al centro
de un rotor que distribuye a la periferia por medio de un cono de
distribución. La alta rotación fuerza al material en proceso a pasar a
través de los discos cónicos (platos) donde se realiza la separación por
la fuerza centrífuga dando una fase leve y una pesada.
El concentrado siendo la fase más pesada es forzado para fuera de las
paredes del rotor a través de las boquillas de descarga. La parte líquida
58
siendo la más leve es descargada en dirección del centro del rotor; se
descarga por el lado opuesto a la fase pesada.
3.3.5 Destilación
El proceso de destilación es usando vapor vivo, con excepción de la
última columna; las columnas son de platos con campanas de
borboteo: presenta las siguientes columnas: Columna Mostera,
Columna Rectificadora, Columna de Repase; además presenta los
siguientes accesorios: refrigerante de alcohol, intercambiadores de
calor, los condensadores correspondientes a cada columna y una mesa
de control y operaciones. (Stalling, 2007).
La planta es anexa a la fábrica de azúcar, de donde recibe vapor a 20
psi, aire comprimido para el control de inyección de vapor a las
columnas y la melaza de caña de azúcar. El agua es usada para la
dilución de la melaza es agua potable y para la refrigeración de los
condensadores se utiliza agua de río con un tratamiento previo.
El material de las columnas así como de las campanas de borboteo es
de acero inoxidable.
a.
Columna Mostera – (1eraColumna)
Una vez terminada la centrifugación la fase leve (Vino) se lleva a
un tanque (tanque volante) donde se le va a ir adicionando un
antincrustante para evitar que en la columna se formen
incrustaciones; luego el vino es bombeado a un tanque que se
encuentra en la parte superior de la fábrica de donde por gravedad
el vino va a descender y ascender, y luego pasará por una válvula
que se encuentra en un panel de control la cual regula la
alimentación a la columna, posteriormente el vino va a calentarse
usando para esto la energía que llevan los vapores alcohólicos en
el condensador (“E”), enseguida desciende el vino y se va a
volver a calentar en un intercambiador de calor (“K”) que
59
aprovecha la energía que lleva la vinaza; enseguida el vino (F)
ingresará a la 1era Columna de Destilación (Columna Mostera) por
el plato número 22. (Stalling&Riveiro, 2007)
La Operación de Destilación en la Columna Mostera consiste en
separar el alcohol del vino-agua por medio de vapor de agua (V);
el alcohol presente en la alimentación puede estar entre 5 –10 %.
Para la obtención por destilación, de alcohol de alto grado, se
utilizan columnas de destilación en las que ingresa el vino por la
parte superior y vapor de agua por la parte inferior, de modo que
el recorrido descendente del primero y ascendente del segundo,
entra en contacto y el vapor de agua se satura de alcohol
contenido en el mosto libre de levadura, aprovechando que este se
desprende a 78,5°C y el vapor a 100 °C. (Stalling, 2007)
El vapor de agua (V) que ingresa por la parte inferior asciende y
se va saturando de alcohol presente en la solución, luego estos
vapores (D1) pasan a dos condensadores (“R” y “R1”), parte de
este condensado regresa a la columna como reflujo (C1) y la otra
parte desciende como alcohol de 2da (P1) (95° G.L.) hacia el
panel de control luego para ser almacenado.
Los condensadores utilizan agua que ingresa por la parte superior
para condensar los vapores alcohólicos; de la regulación del flujo
de agua depende la calidad de alcohol que se va obtener.
Luego los alcoholes que regresan como reflujo van a descender
hasta el plato número 17 por donde van a salir para ingresar a la
segunda columna (F1).
Se debe tener en cuenta que el flujo de vapor que ingresa por la
parte inferior no sea demasiado ya que esto ocasionaría que en
lugar que los alcoholes provenientes de los condensadores pasen a
la segunda columna, vaya a pasar parte de la alimentación lo cual
causaría incrustaciones en la Columna Rectificadora.
60
La alimentación a medida que desciende va empobreciéndose de
alcohol, lo que posteriormente va a salir como un residuo por la
parte inferior de la columna llamado vinaza (L), la que a su vez va
a servir como medio de calentamiento (segundo calentamiento)
para el vino (Interc. “K”) antes de ingresar a la columna.
(Stalling, 2007).
Descripción de la Columna
Para que el contacto vapor con el mosto libre de levadura sea más
efectiva y más completa la desalcoholización de este, el interior
de la columna está provista de unos dispositivos llamados platos
32 en total en 14 cuerpos que facilitan el contacto, estos platos
cuentan con campanas de borboteo.
Los platos están colocados uno encima de otros y de tal manera
que formen una columna. Estos platos se comunican entre sí por
un tubo de descarga, que permite mantener un nivel constante,
dando salida al plato inferior el exceso de líquido.
b.
Columna Rectificadora – (2da Columna)
La Rectificación tiene por objeto la separación de alcohol de las
impurezas que le acompañan.
La flegma (F1) obtenida en la primera columna contiene, además
de alcohol, cierto número de sustancias que deben eliminarse, por
lo tanto este alcohol no tiene la pureza suficiente para el
comercio. Estas impurezas son numerosas y variables y se
clasifican en dos categorías: 1°, las más volátiles que el alcohol
(tales como aldehídos y ciertos éteres) llamadas impurezas de
cabeza, y 2°, las impurezas menos volátiles que el alcohol (tales
como ácido acético, butírico, alcohol propílico, alcoholes
amílicos, etc.) llamadas impurezas de cola. (Stalling, 2007)
Las flegmas contienen de 70 a 80 % de alcohol etílico y el resto
está constituido por agua e impurezas.
61
La operación es similar a la anterior pero con la diferencia que la
alimentación (F1) ingresa por el plato número 14 esto es por la
parte inferior; se hace burbujear el vapor en el líquido que
contiene cada plato por medio de campanas que constituyen un
cierre hidráulico con el líquido del plato.
De la misma manera como en la Columna mostera el vapor de
agua (V1) ingresa por la parte inferior de la columna, también
parte del reflujo de la Columna Mostera (F2) ingresa por el plato
número 20. El vapor llega a la campana atraviesa la vena líquida
y llevando las fracciones correspondientes, pasa luego al plato
superior y así sucesivamente. El líquido de los platos desciende
de plato en plato por los tubos de desagüe cediendo su alcohol,
mientras el vapor sube de plato en plato burbujeando en el líquido
cada vez más alcohólico.
Los vapores que ascienden (D2) luego pasan a tres condensadores
(“E”, “E1”y “E2”) donde van a regresar como reflujos (C3 y
C2), el primer condensador (“E”) se utiliza para calentar el vino
(primer calentamiento) que va a ingresar al intercambiador de
calor “K”, los otros dos utilizan como medio de enfriamiento
agua.
En esta columna se extraen la mayor cantidad de impurezas que
se han generado durante el proceso de la fermentación (alcoholes
superiores, aldehídos, etc.); del plato 16 al plato número 30 se
extrae el aceite fúsel el que posteriormente se va a recuperar en un
decantador (Stalling, 2007)
Descripción de la Columna
Para que sea efectiva y más completa la desalcoholización, el
interior de la columna está provista de unos dispositivos llamados
platos 58, en 10 cuerpos, que facilitan el contacto, estos platos
cuentan con campanas de borboteo las cuales son fijas y más
pequeñas que de la columna anterior.
62
c.
Columna de Repase – (3era Columna)
El vapor es alimentado al fondo de la columna (V2) mediante una
calandria y recibe el alcohol (F3) en el plato 13, con el fin de
eliminar las sustancias volátiles remanentes en este alcohol,
descendiendo a la base de esta columna y después ser encaminado
al intercambiador de calor “J” y de allí a los tanques de
almacenamiento. A este alcohol se le denomina “alcohol
rectificado fino”. Esta columna consta de dos condensadores (“I”,
“I1”) enfriados con agua y trabajan en serie igual que los
anteriores. El vapor alcohólico (D3) se condensa, parte del
condensado (C4) retorna a la columna en el plato número 19 y la
otra parte que contiene las impurezas volátiles retorna como
reflujo a la primera columna
Descripción de la Columna
Para que sea efectiva y más completa la purificación del alcohol,
el interior de la columna está provista de unos dispositivos
llamados platos 19, en 5 cuerpos, que facilitan el contacto, estos
platos cuentan con campanas de borboteo las cuales son fijas y
más pequeñas que de la columna anterior (Codistil, 2004)
3.4
Balance de Materia y Energía
Los balances de materia y energía en la Destilería se realizarán con datos
obtenidos en el laboratorio, datos de operación de la destilería y otros datos
empíricos adquiridos por la práctica, los que dan resultados bastante
aproximados al sistema real.
63
3.4.1 Datos para los Balances de materia en la dilución, PreFermentación, Fermentación y Centrifugación
a) Datos de Laboratorio:
-
Brix de la Melaza
=
84,62 %
-
Pol de la Melaza
=
16,69 %
-
Azúcares Reductores
=
16,70 %
-
Azúc. Reduc. No Fermentables
=
1,50 %
-
Eficiencia de la Fermentación
=
93,50 %
b) Datos de Operación:
c)
-
Brix del Mosto
=
20,00 %
-
Dornas Alimentadas por día
=
7,50 %
-
Recuperación de la Levadura
=
10,00 %
Datos Adicionales:
Pre-fermentación
-
Agua
= 1 000,00 L/Dorna
-
Ac. Sulfúrico
=
6, 00 L/Dorna
-
Densidad del Ac. Sulfúrico
=
1,780 Kg/L
-
Densidad del Pie de Fermento
=
1,180 Kg/L
Fermentación
-
Capacidad de la Dorna
=
30 000,00 L
-
Densidad del Mosto
=
1,087 Kg/L
64
3.4.2 Cálculos en la dilución, Pre-fermentación, Fermentación y
Centrifugación(por día)
a) Dilución
Melaza Utilizada
(vmd * dm * ba)
* da
bm
Melaza Utilizada
Donde:
cd
: Capacidad de la Dorna

vmd = 0,83 3 * cd
:Volumen de Mosto por Dorna
dm
: Densidad del Mosto
ba
: Brix del Mosto
bm
:Brix de la Melaza
da
: Dornas Alimentadas al día
Remplazando datos:
Melaza Utilizada

(0,833 * 30000,00 *1,087 * 20
* 7. 5
84,62
Melaza Utilizada
48169,907kg
Agua Utilizada
Agua Utilizada
(vmd * dm * da) (Melaza Utilizada )
Remplazando datos:
Agua Utilizada = (0,833*3 0 000,00 *1,087*7,5)-(48 169,907)
Agua Utilizada
155636,968kg
Pureza de la Melaza
Pureza
2 * PolMelaza
* 100
BrixMelaza
65
Remplazando datos:
2 *16,69
*100
84,62
Pureza
39,45%
Azúcares Reductores Fermentables
ARF
(2 * Pol Melaza ) *1,05
AR
ARNF
Donde:
AR
: Azúcares Reductores
ARNF
: Azúcares Reductores No fermentables
Remplazando datos:
ARF%
(2 *16,69) *1,05 16,70 1,50
ARF
Melaza Utilizada * ARF %
100
ARF
24204,897kg
48169,907 * 50,25
100
Mosto
Mosto
Agua Utilizada
Mosto
203806,875kg
Brix Mosto
Melaza Utilizada
20,00%
b) Fermentación
Mosto
Mosto
Agua Utilizada Melaza Utilizada
Mosto 203806 ,875 kg
50,25%
66
Pie de Fermento
Donde:
%Rec
: % de Recirculación de la Levadura
cd
: Capacidad de la dorna
as
: Ácido Sulfúrico por dorna
apf
: Agua en la Prefermentación por dorna
dpf
: Densidad del Pie de Fermento
da
: dornas alimentadas al día
Remplazando datos:
Pie Fermento
35453,100kg
Dióxido de Carbono Liberado
CO 2
ARF *
88
* ef
180
Donde:
ef
: Eficiencia de la Fermentación
Remplazando:
CO 2
24204,897 *
88
* 0,935 11064,327 kg
180
Alcohol Arrastrado por el CO2
Alcohol Arrastrado
ARF * 92 * ef * % arrastre
180 * 100
Donde:
% arrastre: % de Arrastre de Alcohol = 0,6%
Remplazando datos:
67
24204,897 * 92 * 0,935 * 0,6
180 * 100
Alcohol Arrastrado
69,404 kg
Mosto Fermentado
Mosto Fermentado
Pie Fermento Mosto
Alcohol Arrastrado
CO2
Remplazando datos:
Mosto Fermentado
c)
228126,244 kg
Prefermentación
Leche de levadura
Leche Levadura
Pie Fermento
(apf
(as * das)) * da
Donde:
apf
: Agua en la Prefermentación
as
: Ácido Sulfúrico
das
: Densidad del Ac. Sulfúrico
da
: Dornas alimentadas
Remplazando datos:
Leche Levadura
35453,100 (1000 (6,000 *1,78) * 7,5)
Leche Levadura
27873,000kg
Agua
Agua apf * da
Agua 1000,000 * 7,50 7500,000 kg
68
Ácido Sulfúrico
Acido Sulfúrico as * das * da
Acido Sulfúrico 6,000 *1,780 * 7,5 80,100 kg
Pie de fermento
Pie Fermento
35453,100 kg
d) Centrifugación
Mosto Fermentado
Mosto Fermentado
228126,244kg
Leche de Levadura
Leche Levadura
27873,000 kg
Vino
e)
Vino
Mosto Fermentado
Leche Levadura
Vino
228126,244 27873,000
200253,243 kg
Alimentación a la Columna Mostera
Vino
Vino Mosto Fermentado
Leche Levadura
Vino 228126,244 27873,000 200253,243 kg
Alcohol en el Vino
OHvino
ARF *
92 * ef
(100
*
180 * 100
% arrastre )
100
69
OHvino
24204,897 * 92 * 93,5 * (100 0,6)
180 *100 *100
OHvino
11497,598kg
Agua en el Vino
H 2 Ovino Vino OHvino
H 2 Ovino 200253,243 11497,598
H 2 Ovino 188755,645kg
3.4.3 Cálculos en el sistema de destilación de etanol
a) Correlaciones para el Cálculo
-
Densidad del Alcohol de Primera: 0,81206 kg/L
-
Densidad del Alcohol de Segunda: 0,81603 kg/L
-
Grado Alcohólico del Alcohol de Primera: 96,0° G.L.
-
Grado Alcohólico del Alcohol de Segunda: 95,0° G.L.
Vinaza
4
3,76
L Vino *
Flegmaza.
L1 Vino *
1
11
Vapor en la Columna Mostera y Rectificadora
V
V1
P2
P1
L
L1
Vino
Vapor que ingresa a la Columna Mostera
V
0,598(V
V1 )
Vapor que ingresa a la Columna Rectificadora
V1
(V
V1 )
V
Vapor de Calefacción en la Columna de Repase.
V2
0,212 * P2 Ki log ramos
70
Consumo de Vapor Total.
Vt
V
V1
V2
b) Cálculos
Tabla 1 Flujos, Fracciones másicas de etanol, Temperaturas y
Entalpías
Fracciones Másicas
Flujo (kg/día)
XOH
Temperatura (°C)
Entalpía (kJ/kg)
de etanol
200253,243
0,057415289
73,00
305,642
Alcohol 1era (P2)
10584,513
0,939028150
75,00
219,182
Alcohol 2da (P1)
1063,626
0,924725810
72,00
210,415
25061,989
0,000000000
125,99
2714,500
16847,691
0,000000000
125,99
2714,500
2243,493
0,000000000
125,99
2185,179
213035,365
----------------
111,00
465,648
18204,840
----------------
118,00
495,319
Vino (F)
Vapor 1eraColumna
(V)
Vapor 2da Columna
(V1)
Vapor 3era
Columna (V2)
Vinaza (L)
Flegmaza (L1)
Fuente: Elaborado por el autor con datos de la empresa, 2011
Tabla 2 Cálculo en los Condensadores
Flujo de Agua
Temp.
Condensadores
Energía recibida
Temp. Salida
34,5 L/min
Ingreso
por día
R
34,50
20,00
50,00
6231014,640
R1
46,20
20,00
59,00
10848255,264
E (Vino)
139,10
23,00
45,00
18061211,376
E1
206,70
21,00
50,00
35524586,448
E2
7,60
21,00
23,00
70895,232
I
10,90
20,00
71,00
3348066,672
I1
14,80
20,00
32,00
1069500,096
Fuente: Elaborado por el autor con datos de la empresa, 2011
71
Tabla 3 Energía perdida por convección en las columnas
Columna
Mostera
Columna
Rectificadora
Energía
6803076,914
(kJ)
Fuente: Autor, (2011)
4573305,722
Tabla 4 Eficiencias en la Destilación
Eficiencia de la Operación (%)
95,00
Eficiencia Térmica (%)
61,58
Fuente: Autor, (2011)
Columna de
Repase
490243,379
72
CONCLUSIONES
Luego de haber planteado los objetivos en la etapa inicial del trabajo, en esta parte final
se obtienen las conclusiones producto de haber cumplido con los objetivos trazados.
1. La Empresa Agro Industrial Paramonga S.A., asume el compromiso con la mejora
continua del desempeño del sistema de gestión de calidad, inocuidad, seguridad y
salud ocupacional. Capacitar y motivar a su personal para lograr un alto nivel de
compromiso, responsabilidad y eficiencia en el cumplimiento de sus tareas con
énfasis en temas de calidad, inocuidad, Seguridad y Salud Ocupacional.
2. La destilación es el método industrial de separación más utilizado. La destilación
consta de múltiples contactos entre las fases de líquido y vapor, cada contacto
consiste en la mezcla de dos fases, los contactos se realizan frecuentemente sobre
platos horizontales (generalmente llamadas etapas) dispuestas en una columna
vertical. A medida que el vapor avanza hacia la cabeza de la columna se enriquece
progresivamente en las especies más volátiles; la alimentación de la columna entra
en un plato intermedio entre el plato superior e inferior; la parte de la columna
situada por encima de la alimentación es la sección de enriquecimiento y la situada
por debajo es la sección de agotamiento.
3. Así mismo los datos cedidos por parte de la Empresa Agroindustrial Paramonga
S.A.A. (AIPSSA), más la suma de datos bibliográficos, ayudaron a poder a hacer
una descripción explícita y/o sólida, del proceso de elaboración de alcohol
rectificado dentro de AIPSAA, AIPSSA utiliza los Platos de flujo a contracorriente,
para producir alcohol rectificado, lo que se pudo plasmar en el trabajo es lo
siguiente: La descripción de la materia prima utilizada, el producto, el proceso, y el
Balance de Materia y Energía.
73
BIBLIOGRAFÍA
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http://www.Agroparamonga.com/#
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75
ANEXOS
Coordenadas:
Sur:10°40´26.78”
Oeste: 49´22.81”
Altura:19 msnm
Anexo 1 Vista aérea de la Empresa
Fuente: El Autor
Anexo 2 Cubas
Fuente: El Autor
76
Anexo 3 Tanques de Melaza
Fuente: El Autor
Anexo 4 Semilleros
Fuente: El Autor
77
Anexo 5 Densímetro
Fuente: El Autor
Anexo 6 Muestreadores de Alcohol
Fuente: El Autor
78
Anexo 7 Flujograma Operacional del proceso de producción de Alcohol Rectificado
Fuente: El Autor
79
Anexo 8 Flujograma Operacional del proceso de producción de Alcohol Rectificado
Fuente: El Autor