DESTILACIÓN EXTRACTIVA

Transcripción

1 DESTILACIÓN EXTRACTIVA La adición de etanol carburante a la gasolina ha impulsado el estudio de técnicas para la deshidratación de etanol, puesto que pequeñas cantidades de agua en la mezcla etanol-gasolina ocasiona la separación de fases generando problemas serios en la operación del motor. Entre las principales tecnologías para la deshidratación de etanol se encuentran la destilación al vacio, adsorción por tamices moleculares, destilación azeotrópica y destilación extractiva. Esta última técnica comparada con las anteriores es atractiva por sus bajos consumos energéticos, costos de inversión inicial y de operación (Oliveros 2011). La destilación es el proceso de separación más común y en muchos casos la operación más importante en la industria de procesos. Su importancia radica en que es una de las operaciones más eficientes de separación, es relativamente sencilla de operar y se obtienen productos de muy alta calidad. Actualmente, debido a los exigentes requisitos de calidad, eficiencia energética y control ambiental, se requiere que esta operación trabaje en su punto óptimo bajo un riguroso sistema de control y supervisión. GENERALIDADES DESTILACIÓN La destilación es un proceso que permite separar dos o más componentes de una solución líquida, aprovechando la distribución de sustancias entre la fase gaseosa y líquida de acuerdo a las diferencias de sus volatilidades relativas o de sus puntos de ebullición. La operación de destilación, de forma generalizada, se compone de una columna de platos o empacada, un tanque rehervidor en el fondo, además de un condensador y un acumulador en la cima.

2 Figura 1 En las secciones por encima del punto de alimentación F, el vapor se lava con el líquido para eliminar o absorber el componente menos volátil, por esto se conoce como sección de absorción, enriquecedora o rectificadora. El vapor que sale de la columna VT se condensa y es almacenado en el acumulador, donde parte del líquido es devuelto a la parte superior de la torre como reflujo L; la otra corriente es el producto de cima y se conoce como destilado D. La relación entre la corriente de reflujo y destilado es una de las principales variables a definir para la operación de la columna, esta relación define el grado de separación de los compuestos así como el diseño mismo de la columna. En la sección debajo del punto de alimento, conocida como sección desorbedora o de agotamiento, el líquido se desorbe del componente volátil mediante vapor que se produce en el rehervidor. El líquido que sale del fondo, B, por tanto, llevará los componentes con menor volatilidad. DESTILACIÓN EXTRACTIVA La destilación extractiva es una de las principales técnicas utilizadas para separar mezclas binarias azeotrópicas. En esta operación se adiciona un tercer componente también conocido como agente de separación o solvente, el cual se caracteriza por ser no-volátil, miscible, de alto punto de ebullición y no forma azeótropos adicionales. La destilación extractiva es considerada como un método de rectificación de multicomponentes. A una mezcla binaria que es difícil o imposible de separar por

3 los métodos ordinarios, se le agrega un tercer componente, un agente másico de separación (AMS), conocido como disolvente, el cual altera la volatilidad relativa de los componentes originales y permite, de esa forma, la separación. Este disolvente agregado es de baja volatilidad, no evaporándose de modo apreciable durante todo el proceso. La destilación extractiva se usa en la industria petroquímica y química para la separación de sistemas de puntos de ebullición cercanos, críticos, o azeotrópicos, para los cuales la destilación sencilla con una única alimentación es o demasiada cara o imposible. Una de las principales aplicaciones de la destilación extractiva está en la separación de la mezcla azeotrópica etanol-agua. Esta separación presenta un gran interés industrial, debido a la potencial fuente de energía renovable del etanol, siendo usado como aditivo o sustituto completo de la gasolina o como materia prima para la alcohol-química (Ravagnani 2010). En la columna extractiva se adiciona el solvente en una etapa cercana a la cima de la columna y se obtiene normalmente como producto de cima el componente con mayor volatilidad con una elevada pureza, para este caso el etanol, y como producto de fondos se obtiene el componente menos volátil junto con el solvente; esta corriente se alimenta a otra columna conocida como columna recuperadora en donde el segundo componente se obtiene en la cima y el solvente en el fondo el cual se vuelve a realimentar a la primera columna. A continuación se muestra un esquema

4 La configuración consiste en una columna extractiva de doble alimentación y en una columna de recuperación de disolvente. El disolvente se introduce en la columna de extracción a una elevada concentración unos platos por debajo del condensador, pero por encima del plato de alimentación. Debido a que el disolvente se elige no volátil, permanece a una concentración relativamente elevada en la fase líquida a lo largo de las distintas secciones de la columna, por debajo del plato de alimentación de disolvente. Uno de los componentes, A (no necesariamente el componente más volátil de la mezcla original), se extrae como una corriente de destilado esencialmente pura. Debido a que el disolvente es no volátil, el producto de cola, consistente en B y el disolvente, se envían a la columna de recuperación. El destilado procedente de la columna de recuperación es B puro, y el disolvente-producto de cola se recicla de vuelta a la columna extractiva. La destilación extractiva trabaja mediante el aprovechamiento de las mejoras inducidas por el disolvente o las moderaciones de las no idealidades de la fase líquida de los componentes que van a ser separados. El disolvente modifica,

5 selectivamente, los coeficientes de actividad de los componentes que van a ser separados. Para lograr esto, es necesaria una alta concentración de disolvente. Se deben tener en cuenta los siguientes aspectos esenciales respecto al disolvente: El disolvente debe alterar la volatilidad relativa por un margen bastante ancho para un resultado exitoso. Alta selectividad, o habilidad para alterar de tal modo el equilibrio vaporlíquido de la mezcla original que facilite la separación, pero que utilice sin embargo pequeñas cantidades de disolvente. Baja volatilidad, con el fin de prevenir la evaporación del disolvente con el producto principal y de mantener una concentración elevada en la fase líquida. Fácil Separación; el disolvente debe poder separarse con facilidad de la mezcla a la cual se adicionó. En particular, no debe formar azeótropos con las sustancias originales. Consideraciones en cuanto a costos, toxicidad, carácter corrosivo, estabilidad química, punto de congelamiento y viscosidad.

6 Sistema Tipo Disolvente Reseña Etanol agua Etilenglicol, sales de Alternativa a la destilación acetato para azeotrópica, destilación por procesos con sal variación de presión Benceno Anilina ciclohexano Acetato de Ésteres altos o Proceso similar para otros sistemas etilo etanol alcoholes, alcohol éster aromáticos THF agua Propilenglicol Alternativa a la destilación por Azeótropo de variación de presión Acetona mínimo punto de Agua, anilina, metanol ebullición etilenglicol Isopreno Furfural, DMF, pentano acetonitrilo Piridina agua Bisfenol Acetato de metilo metanol Alquenos C4/alcanos C4/dienos C4 Alquenos C5/alcanos C5/dienos C5 Isómeros heptano tolueno Isómeros de heptano ciclohexano Acetato de vinilo acetato de etilo Propano propileno Etanol isopropanol Ácido clorhídrico agua Ácido nítrico agua Puntos de ebullición cercanos y azeótropos de mínimo punto de ebullición Puntos de ebullición cercanos Puntos de ebullición cercanos Azeótropo de máximo punto de ebullición Etilenglicol monometil éter Furfural, DMF, acetonitrilo, n- metilpirolidina Furfural, DMF, acetonitrilo, n- metilpirolidina Anilina, fenol Anilina, fenol Fenol, aromáticos Acrilonitrilo Benzoato de metilo Ácido sulfúrico, cloruro cálcico para procesos salinos Ácido sulfúrico, nitrato de magnesio para procesos salinos Elemento de un sistema de recuperación como alternativa a la producción de acetato de metilo por destilación reactiva; alternativa a la destilación azeotrópica, por variación de presión Alternativa para la destilación simple Los procesos de ácido sulfúrico dependen fuertemente de la curvatura del límite

7 Actualmente, la deshidratación de etanol con fines carburantes es uno de los procesos más utilizados en el mundo. Las razones por las cuales el etanol se ha convertido en el compuesto oxigenado de mayor demanda se encuentran en sus propiedades físico-químicas y en que, por ser un compuesto proveniente de materia prima biológica renovable, promete la sostenibilidad ambiental y económica del proceso (Stupiello, 2003). Una de las técnicas más utilizadas en la industria es la destilación extractiva. Los bajos consumos energéticos que acarrea esta operación (Barba, 1985; Batista, 1997; Black, 1972; Ligero, 2003), acompañados de los competentes costos de inversión inicial y de operación (Trindade, 2003), hacen de la destilación extractiva una tecnología atractiva para deshidratar etanol. La destilación extractiva se ha estudiado y aplicado en la deshidratación y recuperación completa del etanol. La ventaja que presenta esta técnica respecto de la destilación azeotrópica, utilizada por mucho tiempo, radica en que el etanol obtenido no contiene trazas del agente de separación, lo que amplía su utilidad a productos alimenticios y farmacéuticos. Además, las características del agente de separación hacen que su búsqueda sea menos dispendiosa y restringida que en el caso de la destilación azeotrópica. Una gran variedad de solventes que modifican la forma de la curva del equilibrio líquido-vapor y eliminan el azeótropo han sido evaluados, entre los cuales se encuentran algunos glicoles, aminas, fenoles hidrofóbicos, parafinas, tiofenos y otros (Lee, 1985). A diferencia de la destilación azeotrópica, en la columna extractiva se recupera el etanol deshidratado por el destilado mientras que de los fondos se retira una corriente con composición ternaria en donde se concentra la casi totalidad del etilenglicol. Esta corriente se envía a la columna de recuperación del disolvente donde merced a su baja volatilidad se recupera el etilenglicol en los fondos, los cuales se recirculan a la columna extractiva. En el destilado de la columna de recuperación se recupera el agua de la mezcla inicial. CONDICIONES DE OPERACIÓN (SEGÚN ARTÍCULO Producción de alcohol carburante por destilación extractiva: Simulación del proceso con glicerol Uyazán, Ana M., et. al.) Para la obtención de etanol anhidro por destilación extractiva se dispone de dos columnas consecutivas de destilación. En la primera, la columna deshidratadora se alimenta etanol azeotrópico en una de las etapas intermedias, y el glicerol en

8 una etapa superior cercana al condensador. El producto de cima de esta columna es el etanol deshidratado hasta el grado deseado y el producto de fondo, compuesto por agua y glicerol, es el alimento de la columna recuperadora, la segunda columna del arreglo. En la columna de recuperación la restricción principal es la pureza del solvente obtenido por los fondos, con el fin de asegurar que se encuentra libre de agua y que puede ser recirculado a la columna extractiva sin afectar la pureza del etanol allí obtenido. NOTA: En el caso de la destilación extractiva no es conveniente utilizar una relación de reflujo alta, (entre más alta menor gasto energético después de un máximo característico de cada operación) debido a que el solvente se alimenta en una etapa superior y al mezclarse con el reflujo en su descenso a través de la columna se diluye aún mas y su efectividad disminuye. Cuando se recircula el etilenglicol es necesario disminuir su temperatura a un valor de 80ºC para poder alimentarlo a la columna extractiva y así garantizar una mejor separación. Lo anterior se logra intercambiando calor con la corriente de alimentación de esta columna. Para evitar la posible descomposición del etilenglicol debido a su alta temperatura de ebullición, la columna de recuperación

9 se opera a 0,2 atm de tal manera que la temperatura de los fondos no alcance los 150ºC, temperatura a la cual se puede degradar. De esta manera se obtiene un destilado de etanol puro y unos fondos que contienen agua y etilenglicol (que corresponden a la corriente de alimentación de la columna de recuperación). *La destilación extractiva puede ser competitiva energéticamente en comparación con la destilación azeotrópica. DATOS CONDICIONES DE OPERACIÓN PARÁMETRO COLUMNA EXTRACTIVA COLUMNA DE RECUPERACIÓN Flujo de alimento (kmol/h) ,137 Flujo de solvente (kmol/h) 40 0 Flujo de destilado (kmol/h) 86,864 13,156 Fracción molar de etanol en 0, el destilado Temperatura de alimento ( C) 78,2 130,2 Temperatura de solvente ( C) 80 Relación de reflujo molar 0,35 0,05 Número de etapas teóricas 18 6 Etapa de alimento 10 4 Etapa de alimento de 3 solvente Presión (mmhg) Relación solvente/alimento 0,4 0 Consumo energético (kj/kg etanol)

10 COSTOS A partir de las tablas anteriores se puede analizar que en cuanto a los costos de capital, la mayor inversión requerida corresponde a la destilación al vacío, los cuales están asociados tanto a la altura y número de platos de la columna como a su diámetro. La deshidratación por tamices moleculares, también incurre en elevados costos de capital como consecuencia de la complejidad del sistema de automatización y control que implica el manejo alternado de diferentes regímenes de presión durante la operación del sistema de tamices, característico de la tecnología. Finalmente se observa que los costos de la destilación extractiva y la destilación azeotrópica son los menores especialmente si se analizan los costos unitarios.

11 En cuanto al consumo energético se observa que la destilación extractiva se encuentra entre las tecnologías de más bajo consumo en conjunto con la destilación por tamices moleculares, la cual a pesar de tener una mayor producción representa el tipo de destilación con mayores costos inversión.