20 Revista Tecnicaña No. 25, Agosto de 2010 Análisis térmico e hidráulico del proceso de destilación en el Ingenio Providencia S.A. Introducción Paola A. Bastidas, 1 Julián A. Parra, 2 Iván D. Gil 1, Gerardo Rodríguez 1 En la región del Valle del Cauca (Colombia) los cultivos de caña de azúcar no solamente se destinan a la producción de azúcar, sino que una proporción de miel B y meladura (productos obtenidos en la fábrica de azúcar) es la materia prima para la producción de etanol carburante. Hoy en día, después de más de cuatro años de operación de las destilerías de alcohol, se tiene un profundo conocimiento del proceso de producción de etanol anhidro, con lo cual se ha logrado identificar las variables de operación más importantes del proceso. Si esto se complementa con el uso de herramientas automatizadas, como los simuladores de procesos, con los cuales es posible analizar una amplia gama de condiciones de operación de manera rápida, rigurosa y eficiente, se logra cumplir con la constante exigencia de mejorar las tecnologías existentes para tener procesos más viables tanto económica como energéticamente que al mismo tiempo sean amigables con el medio ambiente (Dimian, 2003). En este artículo se presenta la simulación de la destilería del Ingenio Providencia S.A., y con base en los resultados se plantean cambios para mejorar el desempeño global del proceso. Adicionalmente, se establece el comportamiento hidráulico y térmico de las columnas, y desde esta perspectiva se evalúa la posibilidad de incrementar la capacidad de producción a 300,000 l/día de etanol anhidro. Proceso de destilación En la Figura 1 se muestra el diagrama de flujo de la simulación del proceso de producción de etanol anhidro en el Ingenio Providencia S.A. El proceso inicia cuando el vino proveniente de la etapa de fermentación se precalienta para luego ingresar a la columna desgasificadora, en donde se despoja de los componentes más volátiles, como el CO 2, el acetaldehído y el metanol, entre otros. Estos componentes se recuperan en su mayoría por la cima de la columna desgasificadora junto con una fracción de etanol para luego ingresar a la columna de aldehídos. Por la cima de dicha columna se obtiene el alcohol impuro al 95% v/v de etanol, y por el fondo se obtienen aguas alcohólicas al 15% v/v de etanol, aproximadamente. El vino despojado de volátiles ingresa a la columna mostera y el etanol restante se recupera en una corriente lateral que se extrae de la cima de esta columna; tal corriente se envía a la columna rectificadora. El alcohol rectificado sale de la última columna y en ésta se recupera el etanol contenido en los vapores y en las aguas alcohólicas; esa corriente se envía junto con el alcohol impuro a la etapa de deshidratación con tamices moleculares. Por el fondo de la columna rectificadora se obtiene la flemaza, con un contenido máximo de 0.1% v/v de etanol. Entre tanto, 1. Grupo de Procesos Químicos y Bioquímicos Departamento de Ingeniería Química y Ambiental, Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá, Carrera 30 45-03, Bogotá, Colombia, pabastidasj@unal.edu.co 2. Director de la Destilería de Alcohol del Ingenio Providencia S.A.
www.tecnicana.org 21 Figura 1. Esquema general del proceso de destilación en el Ingenio Providencia S.A. por el fondo de la columna mostera se obtiene la vinaza. Una proporción de esta corriente se aprovecha para precalentar el vino, y luego se recircula a la etapa de fermentación. La otra parte de la vinaza se concentra por medio de un sistema de evaporación de doble efecto. La vinaza concentrada se envía a compostaje. Simulación del proceso de destilación La simulación de la destilación y la concentración de vinazas en el Ingenio Providencia S.A. se desarrolló utilizando el software Aspen Plus, y se tomó como capacidad de producción 250,000 l/día de etanol anhidro. Modelo termodinámico El sistema de destilación opera a vacío y se caracteriza por ser no ideal debido a las interacciones que se presentan entre los componentes contenidos en la corriente de vino (Faúndez y Valderrama, 2004). Teniendo esto en cuenta y siguiendo la guía que presenta Carlson (1996) en su estudio se establece que los modelos factibles para representar de forma adecuada el sistema son NRTL, Uniquac y Ecuaciones de Estado (EOS). Adicionalmente, la no idealidad de la fase vapor debe ser considerada a bajas presiones. Se obtienen mejores resultados con modelos de actividad con respecto a los modelos que emplean EOS (Dimian, 2003). De acuerdo con lo anterior, se eligen los modelos NRTL-RK, que utilizan el modelo de actividad NRTL para describir el comportamiento de la fase líquida, y la ecuación de estado Redlich - Kwong para describir la no idealidad de la fase vapor y PSRK (Predictive Soave Redlich - Kwong). Componentes y composición del vino Los principales componentes que se deben ingresar a la simulación son etanol y agua. Adicionalmente, se ingresan los alcoholes pesados contenidos en el fusel y algunos componentes como CO 2, metanol, ácido acético y acetaldehído, que corresponden a subproductos de la fermentación. El grado alcohólico del vino se fijó en 8.3% v/v. El CO 2 se considera porque modifica de forma importante el equilibrio de la mezcla y es el principal componente de las corrientes de incondensables de los condensadores. Su concentración se establece según los resultados reportados por Dalmolin et al. (2006), en los que se encontró que la solubilidad de CO 2 en una solución de etanol - agua es directamente proporcional a la presión y a la concentración de la solución e inversamente proporcional a la temperatura. La composición del metanol, ácido acético y acetaldehído, se fijó de acuerdo con los resultados obtenidos en el análisis de una muestra de vino del Ingenio Providencia S.A. La composición del aceite fusel utilizada corresponde a los resultados reportados por Patil et al. (2002), en que se especifica que el 1-propanol, isopropanol, n-butanol, isobutanol, La disminución en el consumo de vapor de escape en la columna rectificadora se logra cuando la corriente de fondos que abandona la columna de aldehídos contiene menos del 16.7 %v/v de etanol.
22 Revista Tecnicaña No. 25, Agosto de 2010 alcohol isoamílico y el alcohol amílico son los principales componentes del fusel producido en las destilaciones de vinos provenientes de caña de azúcar. En el Cuadro 1 se presentan los valores finales de composición de la corriente de vino. Operaciones unitarias En los Cuadros 2 y 3 se resumen las condiciones de operación de los intercambiadores y de las columnas, respectivamente. Adicionalmente, se hizo un análisis térmico e hidráulico, se calculó el diámetro de las columnas y se evaluó el desempeño de los platos de cada columna de destilación. Resultados y análisis Los resultados obtenidos en la simulación reproducen los datos que a diario se obtienen en planta. En la columna mostera se encuentra que la temperatura con la que ingresa el vino debe estar alrededor de 150-155 F (ver Figura 1A) para mantener el perfil que se maneja en La simulación de las columnas de destilación permite establecer que es factible incrementar la cantidad de vino a procesar. Cuadro 1. Composición de la mezcla de vino Componente Concentración (%v/v) Etanol 0.083 Agua 0.91 Dióxido de Carbono 0.001 1-propanol 0.001 Isopropanol 35 ppm n-butanol 420 ppm 3-metil-1-butanol 0.003 1-pentanol 210 ppm Isobutanol 385 ppm Acetaldehído 1 ppm Ácido Acético 252 ppm Metanol 4 ppm Cuadro 2. Resumen de las condiciones de operación de los intercambiadores Equipo Modelo Especificaciones Precalentadores Corto P=2.3 bar; T=56 C de vino Detallado, Modo Área de Transferencia de Calor Rehervidores Simulación =1980 m 2 Detallado, Modo Área de Transferencia de Calor Flubex Simulación =509,3 m 2 Cuadro 3. Resumen de las condiciones de operación de las columnas de destilación Parámetro Columna mostera y Columna de Columna desgasificadora aldehídos rectificadora No. etapas 24 25 58 Condensador NO Parcial L+V Parcial L+V Rehervidor NO NO Termosifón P (psia) 5.94 3.64 3.78 ΔP (psia) 1.5 1.4 3.1608 Flujo Destilado (kg/h) NO 800 7300 Relación de Reflujo másica Especificación de diseño Eficiencia de los Platos NO NO 4.3 Recuperar 89.7% de etanol en la corriente 2. Variando: flujo másico de la corriente 2. Plato 1: 50% Platos 2-24: 70% Recuperar 79% de etanol en el destilado. Variando: flujo másico del destilado. Recuperar 96.8% de etanol en el destilado. Variando: flujo másico del destilado 65% 65% toda la columna y para disminuir el consumo de energía. En la Figura 2B se observa que el CO 2 se concentra en la columna desgasificadora y se recupera en mayor proporción en la corriente que se envía a la columna de aldehídos, debido a su naturaleza altamente volátil; en esta columna se recupera en el venteo del condensador. El grado del alcohol impuro que sale de la cima de la columna de aldehídos es 95.6% v/v, y el de las aguas alcohólicas que salen por el fondo es 16.7% v/v. Al obtener este grado alcohólico en el fondo de la columna de aldehídos se está dejando de consumir vapor de escape en la columna rectificadora, ya que el etanol que se procesa en esta última es menor porque una parte ha sido recuperado en el alcohol impuro. En la columna rectificadora la caída de presión especificada en la simulación es un poco menor que la que se maneja en planta (3.4 psia), lo cual hace que la temperatura obtenida en la simulación sea menor que la real en las etapas del fondo (ver Figura 3A). El etanol rectificado se obtiene al 94.7% v/v y la flemaza
www.tecnicana.org 23 Figura 2. Resultados obtenidos para la columna mostera. A. Perfil de temperatura. B. Perfil de composición de la fase vapor. Figura 3. Resultados obtenidos para la columna rectificadora. A. Perfil de temperatura. B. Perfil de composición de la fase vapor. Figura 4. Perfiles de composición de los alcoholes superiores en la fase líquida. A. Columna mostera, B. Columna de aldehídos, C. Columna rectificadora al 0.9% v/v. La pequeña cantidad de CO 2 que ingresa a la columna (8*10-5 % -p/p) se concentra en el condensador o en la primera etapa (ver Figura 3B). La mayor parte de los alcoholes superiores que ingresan con el vino se recuperan en la corriente de vapores alcohólicos que se envía a la columna rectificadora, y allí éstos se concentran en la zona donde se realizan las correspondientes extracciones de fusel alto y fusel bajo (ver Figura 4B). La parte de los alcoholes superiores que va en los vapores alcohólicos que se envían a la columna de aldehídos se recupera por el fondo de la misma (ver Figura 4A) y luego vuelven a la columna rectificadora, es decir, en las extracciones de fusel que se hacen en la columna rectificadora se recupera casi el 100% de los alcoholes superiores. El diámetro calculado para las columnas mostera y de aldehídos es menor que el real, lo cual, sumado a los factores de inundación obteni-
24 Revista Tecnicaña No. 25, Agosto de 2010 La primera aproximación al aumento de la producción se debería hacer por medio del aumento del grado alcohólico del vino que ingresa al proceso de destilación, y luego por incrementos paulatinos en los flujos a procesar. dos (38% y 69%, respectivamente), implica que en estas columnas se puede procesar una mayor cantidad de vino y de vapores alcohólicos, respectivamente. En la columna rectificadora el diámetro calculado para la sección superior es mayor que el real; este resultado se debe a que el factor de inundación con el que opera la columna en esta zona para procesar los flujos de destilado y de reflujo especificados (91%) valor que sobrepasa el límite de seguridad que maneja el simulador para este tipo de cálculos (80%). Conclusiones El análisis del proceso de destilación que se lleva a cabo en el Ingenio Providencia S.A. se realizó con ayuda del simulador Aspen Plus, y la conclusión general es que la operación actual de la planta es eficiente ya que se cumplen las especificaciones de pureza de los productos y se presenta un contenido de etanol muy bajo en las otras corrientes de salida (por ej., la flemaza sale del sistema con 0.9% v/v de etanol). Los modelos termodinámicos NRTL-RK y PSRK arrojan los mejores resultados en cuanto a la reproductibilidad de las condiciones de operación de la planta y la distribución del CO 2 en las corrientes que salen de la columna mostera. La temperatura con la que ingresa el vino a la columna mostera incide fuertemente en los resultados de las tres columnas, y se obtienen los mejores cuando la temperatura es superior a 140 F, valor que corresponde a la condición de operación en planta. Actualmente las columnas mostera y de aldehídos operan en condiciones por debajo de las condiciones de inundación, por lo cual se concluye que en estas columnas se podrán procesar flujos mayores al aumentar la producción, con más holgura en la columna mostera que en la de aldehídos, ya que en la segunda el factor de inundación obtenido está más próximo al límite máximo hidráulico. La columna rectificadora opera cerca del límite máximo hidráulico, de lo cual se concluye que esta columna estará más limitada para manejar mayores flujos a los actuales a la hora de aumentar la capacidad de producción de la planta. Por esta razón, la primera aproximación al aumento de la producción se debería hacer por medio del aumento del grado alcohólico del vino que ingresa al proceso de destilación y luego por incrementos paulatinos en los flujos a procesar, y de esta forma lograr establecer el valor de producción en el cual las columnas se inundan. Referencias Carlson, E. Don t Gamble with Physical Properties for Simulations. Chemical Engineering Progress (Oct. 1996) p. 35-46. Dalmolin, I.; Skovroinski, E.; Biasi, A.: Corazza, M.: Dariva, C. y Oliveira, J. Solubility of Carbon Dioxide in Binary and Ternary Mixtures with Ethanol and Water. Fluid Phase Equilibria. Vol. 245, (2006) p. 192-200. Dimian, A. Integrated Design and Simulation of Chemical Processes. Computer Aided Chemical Engineering. Vol. 13. Elsevier (2003) Faúndez, C. y Valderrama, J. Phase Equilibrium Modeling in Binary Mixtures Found in Wine and Must Distillation. Journal of Food Engineering. Vol. 65 (2004) p. 577-583. Patil, A.; Koolwal, S. y Butala H. Fusel Oil: Composition, Removal and Potential Utilization. International Sugar Journal. Vol. 104 (2002), No. 1238, p. 51-58.