Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo Informe:
Columna de destilación de etanol Autor:
Chuica Vega Yang Pool Alexander Asignatura:
Operaciones Unitarias III
Columnas de destilación de etanol Introducción La destilación es probablemente una de las operaciones más ampliamente empleada en la industria qumica! bien para separar distintos componentes de una corriente! o en la puri"cación de productos intermedios o "nales# $u aplicación %a desde la destilación de alcohol hasta el &raccionamiento del petróleo# 'l proceso en el que %amos a centrar nuestro estudio es una columna de destilación de etanol de gran pure(a# Los compuestos qumicos que separa &orman a(eótropos entre s! lo cual hace la operación más comple)a# La &unción principal de las columnas es de separar una me(cla liquida de dos sustancias con distintos grados de %olatilidad# Obteniendo como productos destilados# Las columnas de destilación utili(adas para reali(ar el proceso! constitu*en un porcenta)e signi"cati%o de la in%ersión que se reali(a en plantas qumicas * re"neras de todo el mundo# 'l coste de operación de las columnas de destilación es a menudo! la parte más costosa de la ma*ora de los procesos industriales en los que inter%iene# Por ello! el disponer de t+cnicas prácticas para modelar columnas de destilación más o menos realistas * el desarrollar sistemas de control e"ca( * "able es mu* importante! a "n de conseguir! un &uncionamiento e"ca( * seguro de los sistemas de destilación industriales#
Defnición de columna de destilación
Una columna de destilación es una estructura cerrada de la cual se reali(a la separación &sica de un ,u)o en dos o más &racciones 'sta separación se logra sometiendo el ,uido a condiciones de presión * temperatura apropiadas a lo largo de la columna! de modo de lograr que las &racciones que se buscan separar se encuentren en dos estados di&erentes# -e manera que se logra un buen intercambio entre ambas &ases#
Mezcla azeotrópica
's aquella me(cla lquida de dos o más componentes que poseen una temperatura de ebullición constante * ")a! esta me(cla a(eotropica se &orma debido a que al pasar al estado %apor se comporta como un lquido puro! es decir como si &uese un solo componente! esto se %eri"ca en el hecho que el %apor producido por la e%aporación parcial del lquido tiene la misma composición que el lquido# 'l a(eótropo que hier%e a una temperatura máxima se llama a(eótropo positi%o * el que lo hace a una temperatura mnima se llama a(eótropo negati%o# La ma*ora de a(eótropos son del tipo negati%o# Un a(eótropo! puede her%ir a una temperatura superior! intermedia o in&erior a la de los constitu*entes de la me(cla! permaneciendo el lquido con la misma composición inicial! al igual que el %apor! por lo que no es posible separarlos por destilación simple! por lo que es necesario a.adir otro componente para romper la me(cla a(eotrópica# La composición de la me(cla a(eotrópica cambia si cambia la presión exterior! pudiendo incluso a desaparecer dicha me(cla# 'sto ocurre porque la temperatura de ebullición depende de la presión exterior# Tipos de columnas para obtención de etanol A. Simple
Columna DESTILACIÓN
SIMPLE
La destilación simple consiste en la separación de uno o %arios componentes de una me(cla lquida cu*os puntos de ebullición di"eren entre s en un rango su"cientemente marcado /al menos 012C3 * deben ser in&eriores a 4152C# 'l lquido a destilar se coloca en un matra(! para despu+s! mediante la adición de calor! impulsar la %apori(ación# Una %e( establecido el equilibrio lquido6%apor! parte del %apor se condensa en las paredes del matra(! pero el resto /ma*ora3 pasa por la salida lateral! para posteriormente condensarse por e&ecto del en&riamiento ocasionado por agua &ra que circula por un tubo re&rigerante que &orma parte del equipo en esta operación# Al producto se le conoce como destilado! mientras la porción que queda dentro del matra( se denomina residuo# Con la "nalidad de e%itar el sobrecalentamiento de los lquidos * ocasionar la posible desnaturali(ación de compuestos de inter+s en la solución! es importante adicionar n7cleos de ebullición! que son
partculas &sicas! inertes /generalmente perlas de %idrio3! utili(adas para &omentar la homogeneidad de la me(cla * mantener constante el ritmo de destilación# B. Columnas de platos
8ipos de platos 9arboteo Platos de %ál%ulas Platos per&orados
C. Columna de relleno
-# Columnas recti"cadoras Columna de Destilación por Conelación
La destilación por congelación es un interesante proceso! pues pudiera considerarse contraria a lo que se conoce como destilación! no en cuanto a sus resultados! sino en cuanto a su proceso! mientras que la destilación :com7n: basa su principio de separación en las di&erencias de los puntos de ebullición de los componentes! la destilación por congelación opera por la di&erencia en los puntos de congelación! dicho de otra manera! las &ases pueden separarse gracias que una /o %arias3 de ellas! se encuentra en estado sólido#
Como es de esperarse ha* sistemas en los cuales este proceso cuenta con una e&ecti%idad mucho ma*or que la destilación com7n /es de esperarse que esto dependa de las propiedades del sistema3! entonces ;por qu+ no es tan di&undido este proceso<# Pondremos 0 e)emplos para ilustrar este detalle= 4# La desalación a "n de obtener agua potable! aunque este proceso no se considera propiamente una destilación! algunos autores insisten en mencionarla como tal! sin embargo esto resulta bastante ilustrati%o= >esulta que energ+ticamente! contrario a lo que se piense! el proceso es más rentable! pues la relación entre el calor latente de %apori(ación * el de &usión del agua es de ? aproximadamente! es decir que solamente se ocupa un sexto de la energa para cambios de estado! además! el hielo es separable de las sales que pueda contener! entonces ;por qu+ la desalación de agua no se hace por congelación< >espuesta#6 por la di"cultad mecánica para mane)ar el hielo! este e)emplo nos ilustra el hecho de que aunque un proceso pueda resultar me)or que otro! tienen que anali(arse los pasos siguientes con el "n de estudiar la rentabilidad adecuada del pro*ecto 0# 'n la preparación de %od@as "nos! puede apreciarse que el agua * el alcohol son separables por e%aporación! el punto de e%aporación del alcohol oscila por el orden de los ?BC * el del agua los 455BC! sin embargo el peque.os detalle de un a(eótropos origina una limitante! ahora si tomamos como re&erencia que el alcohol pudiera ser un anticongelante /su punto de &usión se encuentra a los 644BC3 * que el punto de &usión del agua se encuentra alrededor de los 52C! resulta clara que la limitante no es la naturale(a de los componentes! a su %e( como se mencionó anteriormente la cuestión energ+tica mas bien es una %enta)a! entonces ;cuál es la limitante en este sistema< >espuesta= la cuestión económica! como se mencionó anteriormente resulta que la utili(ación de este procedimiento ele%a el costo del producto! un e)emplo es el $tolichna*a 'lit un %od@a de origen ruso! cu*o %alor en el mercado es superior a los ?5 dólares3! ;'ntonces! porque se utili(a este sistema
Columna de Destilación por Lotes o !atc"
'n las destilaciones por lotes! llamadas tambi+n batch! se carga al equipo una determinada cantidad de la me(cla de inter+s para que! durante la operación! uno o más compuestos se %a*an separando de la me(cla original# Un e)emplo com7n corresponde a las destilaciones que ocurren en los laboratorios! donde el lquido es %aciado en un recipiente * calentado hasta her%ir# 'l %apor &ormado se retira continuamente por condensación! que corresponde al compuesto más %olátil#
Principales componentes de una columna de destilación
Las columnas de destilación constan de %arios componentes! cada uno es usado *a sea para trans&erir energa calor"ca o trans&erir materia# Una tpica columna de destilación contiene los siguientes componentes /entre par+ntesis %a la terminologa en ingl+s3= Un arma(ón %ertical donde tiene lugar la separación de los componentes del lquido Componentes internos de la columna tales como platos /tra*s3 *Do empaquetaduras /pac@ings3 que se usan para promo%er la separación de componentes Un ebullidor /reboiler3 que pro%ee la %apori(ación necesaria para el proceso de destilación Un condensador /condenser 3 que se usa para en&riar * condensar el %apor saliente de la parte superior de la columna Un tanque de re,u)o /re,ux drum3 que mane)a el %apor condensado que %iene de la parte superior de la columna de manera que el lquido /re,u)o3 pueda ser recirculado a la columna 'l arma(ón %ertical alo)a los dispositi%os internos * )unto con el condensador * el reher%idor! constitu*en la columna de destilación#
#peración b$sica % terminolo&a
La me(cla lquida que será procesada es conocida como ,u)o de alimentación * este es introducido usualmente en un lugar cercano a la parte central de la columna en un plato conocido como plato de alimentación# 'l plato de alimentación di%ide la columna en dos secciones= una superior /de enriquecimiento o recti"cación3 * una in&erior /de empobrecimiento3# 'l ,u)o de alimentación desciende en la columna donde es recogido en la parte superior en el reher%idor# $e suministra calor al ebullidor para generar %apor# La &uente de calor puede ser un ,u)o adecuado! aunque en la ma*ora de plantas qumicas! +ste es normalmente %apor# 'n re"neras! la &uente de calor puede ser los ,u)os de salida de otras columnas# 'l %apor se ele%a en el reher%idor * es reintroducido dentro de la unidad en la parte in&erior de la columna# 'l lquido que se remue%e del reher%idor es conocido como producto de &ondo o simplemente! &ondo# 'l %apor se ele%a en la columna! * sale en la parte superior de la unidad! * es en&riado por el condensador# 'l lquido condensado es almacenado en un contenedor conocido como tanque de re,u)o# Algo de este lquido es de%uelto a la parte superior de la columna * es lo que se conoce como re,u)o# 'l lquido condensado que remo%ido del sistema es conocido como destilado o producto de cabe(a#
Ane'o
$impli"caciones en el Cálculo de Columnas de -estilación Alcohólica Osne* P+re(! Lourdes Eumalacárregui * Os%aldo Fo(á
Frupo de Análisis de Procesos! Gacultad de Ingeniera Humica! Instituto $uperior Polit+cnico Jos+ >esumen $e anali(a el e&ecto de algunas simpli"caciones en cálculos de columnas de destilación alcohólica! tales como considerar solo etanol * agua en las corrientes in%olucradas en el proceso * suponer que las p+rdidas de calor al medio ambiente son despreciables# $e discute el e&ecto de la reducción de la cantidad de componentes en el %ino! sobre la entalpa de las corrientes de la columna! desde un sistema de nue%e componentes hasta el sistema binario etanolKagua# $e utili(an tres modelos de e%aluación de propiedades demostrando que los resultados no se a&ectan de manera sensible# $e estimaron las p+rdidas de calor al medio ambiente por con%ección * radiación! tanto en una columna recti"cadora como en una repasadora! aisladas t+rmicamente * sin aislamiento# $e demuestra la %alide( de las consideraciones utili(ando el simulador de procesos Y$Y$# IM8>O-UCCINM La destilación de etanol como componente del %ino tiene sus particularidades! que no la hacen tan sencilla como cuando la alimentación a la columna es una me(cla binaria# Como se conoce! ha* más de 055 sustancias que acompa.an al etanol en el %ino que se alimenta al sistema de destilación * todos mantienen di&erentes comportamientos durante este proceso /P+re(! 0553# ediante di%ersas t+cnicas de análisis se ha establecido la presencia en el alcohol crudo o bruto /condensado que se obtiene como tope de la columna destiladora3 de más de QR compuestos! siendo los compuestos dominantes el etanol * el agua# 'l contenido de impure(as en el alcohol bruto es del orden de 456! expresado en &racción másica * todas reunidas representan entre 5#1S * 4S del contenido del alcohol /Villena et al#! 4QQ13# Las impure(as en el %ino! conocidas como cong+neres! están usualmente presentes a concentraciones entre 456? a 456R mgDL /i@ari * Tubo! 4Q1 illiams * Tnuttel! 4QW0 Lora et al#! 4QQ0 Valderrama et al#! 0554 Valderrama et al#! 0550 Valderrama * Ga7nde(! 055 Osorio et al#! 055R3# 'l alto n7mero de compuestos en la me(cla a destilar! la ba)a concentración /de gran importancia como parámetro enológico3 a que se encuentran * la ba)a disponibilidad de datos * parámetros de interacción requeridos para la aplicación de los modelos termodinámicos! hace comple)a la modelación de estos sistemas /Valderrama et al#! 0554 Valderrama * Ga7nde(! 0553# Por lo
anterior! los autores de este traba)o plantean! que desde el punto de %ista energ+tico! es ra(onable considerar la me(cla multicomponente obtenida en la &ermentación alcohólica! como una me(cla binaria etanol6agua /P+re(! 0553# $e demuestra que esta a"rmación es %álida * se calcula el grado de error que introduce en los cálculos energ+ticos dicha consideración#
La simulación del proceso de destilación requiere! además de in&ormación termodinámica! de datos de %ariables de operación de la columna# La 8abla 0 muestra las %ariables requeridas por el simulador# Los datos de operación de la columna utili(ados para la simulación corresponden a los de una columna industrial instalada en una planta productora de 05W5 LDh de etanol hidratado por destilación con%encional! cu*o sistema de destilación puede %erse en la Gig# 4#
Las me(clas estudiadas inclu*en etanol * agua como componentes ma*oritarios * %arios cong+neres# $e anali(aron ocho me(clas de %ino! restándose un componente en cada corrida de simulación# La 8abla resume los sistemas de componentes estudiados en este traba)o# Para la eliminación de los componentes se tomó como criterio base la sustracción siguiendo un
orden ascendente de composición en la me(cla original de nue%e componentes# As el primer componente a retirar sera el acetaldehdo#
PX>-I-A$ -' CALO> Para el estudio del balance energ+tico en columnas de destilación! se calcularon los calores intercambiados en dos columnas! en particular en una columna recti"cadora /con condensador de tope3 * una repasadora /con condensador * reher%idor de &ondo3 instaladas en una planta industrial de producción de 05W5 LDh de etanol hidratado por destilación con%encional! mostrada en la Gig# 4# $e estimaron las p+rdidas de calor al medio ambiente por con%ección * radiación! utili(ando ecuaciones reportadas en la literatura /i)ee% * i)ee%a! 4QQ3 para super"cies cilndricas %erticales largas# La inclusión de las p+rdidas por radiación &ue necesaria atendiendo a que! por una parte! la temperatura promedio en la pared de las columnas sobrepasa los 155C * por otra! la super"cie de estas paredes es peque.a si se compara con la super"cie de los alrededores# 'n la 8abla R se presentan los datos necesarios para el cálculo de las p+rdidas de calor#
>'$UL8A-O$ Y AMLI$I$ La in,uencia del n7mero de componentes desde el punto de %ista energ+tico! se reali(ó comparando los %alores obtenidos por la simulación del proceso de destilación de estas me(clas en una columna destiladora# Para ello se consideraron los %alores de las entalpas de las corrientes %ino! ,emas * %ina(as# La 8abla presenta las des%iaciones relati%as de las entalpas /SZh3 de estas corrientes para los sistemas mostrados en la 8abla # Las des%iaciones que se obtienen para cada corriente se calculan respecto al sistema de nue%e
componentes /hQ comp3! utili(ando la ecuación 4! donde hn comp! representa la entalpa de la corriente &ormada por n componentes#
Como se obser%a en la 8abla ! las des%iaciones entre los %alores calculados de la entalpa para los di&erentes sistemas son in&eriores al 5#1S# La ma*or des%iación se presenta en la corriente %ino /5#4S3# Por otra parte se aprecia que! en el caso de la %ina(a! las me(clas &ormadas desde cuatro hasta nue%e componentes tienen un comportamiento id+ntico! que se corresponde con la igualdad en la composición * temperatura de la %ina(a para estas me(clas estudiadas! compuestas por agua! glicerol * ácido ac+tico# La ma*or proporción de agua en las me(clas de tres * dos componentes es responsable de la %ariación de la entalpa * la ligera disminución de temperatura! aunque es de destacar que! dado que la composición de esta corriente es prácticamente agua! la temperatura que se obtiene para todos los casos es! prácticamente! la de ebullición normal del agua# Para el %ino * las ,emas! la igualdad en el comportamiento puede considerarse entre siete * nue%e componentes siendo ma*ores las di&erencias! con respecto a la me(cla de nue%e componentes! para las restantes# 'sto se explica por el hecho de que los dos componentes que menos in,u*en en las propiedades termodinámicas de estos sistemas! acetaldehdo * metanol! &ueron retirados para &ormar las me(clas de ocho * siete componentes respecti%amente# La ma*or des%iación en el %ino /5#4S3 se aprecia al retirar el componente de ma*or in,uencia! el glicerol! para pasar de la me(cla de tres componentes a la de dos componentes# Para la ,ema! la ma*or des%iación se obtiene cuando se retira el ácido ac+tico /5#4RS3! para pasar de la me(cla de cuatro componentes a la de tres! *a que el glicerol se incorpora totalmente a las %ina(as# Las Gig# 0 * muestran el comportamiento de las temperaturas en las corrientes ,emas * %ina(as al reducir el n7mero de componentes en la me(cla#
Como se obser%a! la reducción del n7mero de componentes no tiene prácticamente e&ecto en los %alores de temperatura que se obtienen en las corrientes de salida de la columna# Para los sistemas estudiados se obtiene un %alor promedio de temperatura de QR#R0 5C /des%iación estándar 5#503 para las ,emas * de 455#50 5C /des%iación estándar 5#543 para las %ina(as#
La Gig# R muestra el comportamiento de la &racción másica de etanol en la corriente ,emas al cambiar el n7mero de componentes en la me(cla# $e aprecia que puede ser considerado un %alor promedio de &racción másica de etanol de 5#050 /des%iación estándar 5#5553! lo cual a%ala el uso de sistemas binarios etanol6agua en cálculos energ+ticos#
Para %eri"car la in,uencia de la selección del paquete de propiedades en los resultados alcan(ados se reali(ó la simulación sustitu*endo el modelo M>8L por las ecuaciones de ilson * UMIHUAC# 'n la 8abla W se presentan las des%iaciones relati%as promedios de las entalpas /SZhP>O3 de las corrientes %ino! ,emas * %ina(as! para el sistema desde dos a nue%e componentes! utili(ando los tres m+todos de estimación# $e comprobó que el ma*or ale)amiento entre los %alores de entalpas de %ino! ,emas * %ina(as calculados con los tres modelos es in&erior al 5#4S! de donde se comprueba que las conclusiones de este traba)o son independientes del paquete de propiedades con el que la simulación sea reali(ada! siempre que el paquete seleccionado sea apropiado para el tipo de sistema en estudio# Adicionalmente se anali(ó si el orden de eliminación de los componentes de las me(clas e)erca alguna in,uencia en los resultados obtenidos# Para ello se estudiaron otros dos modos de sustracción de los componentes= sustra*endo el componente en orden descendente de concentración en el %ino /glicerol! ácido ac+tico! dióxido de carbono! alcohol isoamlico! 46 propanol! metanol * acetaldehdo3 * sustra*endo el componente en orden aleatorio /glicerol! acetaldehdo! metanol! 46propanol! alcohol isoamlico! dióxido de carbono * ácido ac+tico3# $i bien los per"les obtenidos para las cur%as temperatura de ,emas! temperatura de %ina(as! &racción másica de etanol en las ,emas! as como los %alores puntuales de entalpas de %ino! ,emas * %ina(as! son di&erentes seg7n la me(cla presente! se obtienen %alores promedio similares para cada condición estudiada# CNC!USIN"S
-e los resultados mostrados! de su análisis * de su discusión! se pueden obtener las siguientes conclusiones! sobre las posibilidades de reali(ar simpli"caciones en el cálculo de columnas de destilación= 43 es posible considerar el %ino como un sistema binario etanol6agua para la reali(ación de estudios energ+ticos! lo cual contribu*e a la &acilidad de los cálculos 03 es posible considerar despreciable el calor cedido al medio ambiente en los balances de energa en columnas de destilación 3 siempre que el paquete de propiedades seleccionado en el simulador sea adecuado! las di&erencias en la estimación de las propiedades requeridas en los balances de energa /temperatura! entalpa! composición3 son despreciables# La simulación ha permitido estudiar di&erentes situaciones del proceso de producción de etanol de una &orma rápida * sencilla#
!ibliora(&a
$impli"caciones en el Cálculo de Columnas de -estilación Alcohólica# Osne* P+re(! Lourdes Eumalacárregui * Os%aldo Fo(á odelado * control de una columna de destilación binaria Automati(ación Industrial 0544 Angelica ara Al(ate Iba.e( 8ipos de columna de destilación# Geed)it Li%e 9log $tats# Uni%ersidad de $onora http=DD[[[#galeon#comDmcoronadoDAMALI$I$\UMI-A-'$D5?-'$8ILA-O>'$#pd& http=DDes#scribd#comDdocD4R5R51?4D8IPO$6-'6COLUMA$6-'6 -'$8ILACIOM]scribd http=DD[[[#authorstream#comDPresentationD)onathan\%am6?QR146columnas6 de6destilacionD http=DD[[[#biblioteca#udep#edu#peDbib%irudepDtesisDpd&D4\4WW\4WR\4?\4W1#p d&
