Producción de Etanol Anhidro a partir de la Caña de Azúcar Ing. Químico Manuel G. Cerpa

El Etanol, llamado también alcohol etílico, es un compuesto orgánico de fórmula química C₂H₅OH. Se presenta como líquido a condiciones normales, incoloro, límpido, de olor agradable y fuertemente penetrante, de sabor cáustico y ardiente, además es miscible en agua a toda proporción, inflamable y volátil. Su temperatura de ebullición normal es 78,65 °C y su calor de vaporización es 38,56 KJ/mol.

Alcohol etílico deshidratado: Es el que, mediante la acción de agentes químicos deshidratantes o de tecnologías de separación apropiadas, alcanza una graduación mínima de 99,5% de Alc. Vol..

Etanol anhidro (EA): Es aquel etanol con un contenido del 100,0% en volumen.

Alcohol combustible: Este término se refiere al alcohol etílico para uso exclusivo de equipos o vehículos motorizados. Las combinaciones del EA, como aditivo para la gasolina, reciben los siguientes nombres: a) E5: Mezcla de la gasolina sin plomo tetraetílico (PTE) con 5% de EA, b) Gasohol (E10): Mezcla que contiene 90% de gasolina sin PTE y 10% de EA y c) Alconafta (E15): Mezcla que contiene 85% de gasolina sin PTE y 15% de EA.

En este trabajo, el alcohol etílico deshidratado es considerado como el EA y también es el usado como aditivo para la gasolina (alcohol combustible).

Descripción de las operaciones de deshidratación
Actualmente, existen diversas tecnologías para deshidratar mezclas de compuestos orgánicos valiosos a nivel industrial. Algunas de ellas presentan limitaciones o restricciones técnicas y económicas que dificultan su aplicación en el Perú. Mediante una revisión bibliográfica, hemos escogido aquellas operaciones comerciales más importantes y factibles de implementar para el caso del EA. A continuación, procedemos a describirlas.

Destilación azeotrópica
Consiste en adicionar un compuesto químico, llamado “entrainer”, a una mezcla de alimentación azeotrópica en una columna de destilación fraccionada, para formar un nuevo azeótropo ternario heterogéneo (ATH) con uno de los componentes de la alimentación. Luego, este ATH es removido como destilado en esta columna. La corriente de solución alcohólica de 1 a 6% molar de etanol se rectifica en una columna de destilación fraccionada para obtener agua (fondo) y una solución alcohólica concentrada de 86% molar (cabeza). Parte de esta segunda corriente regresa a la columna como reflujo, mientras el resto es enviada a otra columna de destilación llamada azeotrópica, donde se mezcla con el entrainer (benceno o ciclohexano), produciendo el ATH y liberando al EA de la alimentación, obteniéndose como producto de fondo. El ATH es condensado como producto de cabeza y se le decanta para obtener dos fases inmiscibles. La fase orgánica, rica en el entrainer, regresa a la columna azeotrópica como reflujo, mientras la fase acuosa es bombeada a una tercera columna de destilación fraccionada llamada recuperadora, donde se separa el entrainer alcohólico del agua. El primero es obtenido como producto de cabeza y es reciclado a la alimentación de la columna azeotrópica, mientras que el agua es utilizado junto con la obtenida en la columna rectificadora como insumo para otras etapas del proceso. La figura 1 describe el diagrama de flujo de toda esta operación.

Destilación extractiva
Consiste en adicionar un solvente no volátil, de alto punto de ebullición y miscible a una mezcla de alimentación azeotrópica, en una columna de destilación fraccionada, para alterar las volatilidades de los componentes claves sin la formación de un nuevo azeótropo. Consta de tres columnas de destilación fraccionada. La primera columna es la rectificadora y es similar a la descrita para la destilación azeotrópica. La segunda columna, llamada extractiva, recibe la solución alcohólica rectificada y al solvente, usualmente etilenglicol, en contracorriente al ingreso de la solución. En el tope de la columna, el EA es condensado y obtenido como producto principal. En la región entre la alimentación del solvente y la de la solución, el agua es absorbida por el solvente, que desciende a la base de la columna. Una corriente de fondo de la columna, constituida de agua y solvente, se alimenta a una tercera columna, llamada recuperadora; donde el agua es separada del solvente como producto de cabeza y es enviada como insumo a otras etapas del proceso. El solvente agotado sale de la columna, como producto de fondo y es reciclado a la columna extractiva, junto con una corriente de solvente nuevo. Algunas modificaciones aplicadas a este proceso se basan en un análisis energético del mismo y han sugerido circuitos adicionales para los subproductos, logrando aumentar la eficiencia y rendimiento del proceso. La figura 2 describe el diagrama de flujo de toda esta operación.

Destilación extractiva salina
Es un proceso análogo a la destilación extractiva, con la diferencia de que el agente es una sal iónica, no volátil y soluble en la mezcla de alimentación. Una corriente de solución alcohólica rectificada (86% molar de etanol) ingresa a una columna de destilación fraccionada, llamada destiladora salina, donde se mezcla con la sal iónica (acetato de potasio) y se procede a destilarla. Se obtiene una solución concentrada de la sal como producto de fondos, la cual es enviada a un paso de recuperación. Como destilado se obtiene etanol anhidro. El paso de recuperación, consta de un secador por atomización, que permite obtener la sal en estado sólido y por consiguiente, reciclarla a la columna destiladora salina. La figura 3 describe el diagrama de flujo de toda esta operación.

Pervaporación
Es un proceso de separación en el cual una mezcla líquida se pone en contacto con una membrana polimérica permeable no porosa y selectiva. Uno de los componentes de la mezcla es transportado preferentemente a través de la membrana, en estado vapor (permeado), siendo luego, condensado y recuperado. El término pervaporación es una contracción de permeación y evaporación. La permeación es inducida por una disminución de la presión parcial del componente permeable, mediante vacío o por una corriente de un gas inerte. Es sabido, que la pervaporación puede ser usada solamente cuando la selectividad del permeado es muy superior a la detectada en una vaporización ordinaria. La corriente del tope de una columna rectificadora de la solución alcohólica, considerada en los procesos previos, es enviada a una unidad de pervaporación, donde el permeado (solución alcohólica diluida) es obtenido al reducir la presión del otro lado de la membrana hidrofílica. El EA es deshidratado y obtenido como producto de la unidad. El permeado es condensado y enviado a un tanque almacenador, de donde es reciclado a la columna rectificadora. La generación del vacío para este proceso se realiza después del condensador, ya que se usa una corriente de vapor, en vez de una de líquido, como es usual en otros procesos de pervaporación. Según este caso, se obtiene mejoras en el desempeño de la separación y manejo de los subproductos. La figura 4 describe el diagrama de flujo de toda esta operación.

Discusión de las Operaciones consideradas
A continuación, enumeramos las ventajas y limitaciones de cada una de las operaciones tratadas en este trabajo, de acuerdo a diversas opiniones profesionales y resultados operacionales, publicados en los últimos años. A partir de esta lista, podremos sugerir las tecnologías más apropiadas para el Proyecto del EA.

Ventajas
1. Destilación azeotrópica

• Es una tecnología madura, disponible comercialmente para cualquier escala y con suficiente información para ser fácilmente modelada y simulada
• Permite la separación parcial del entrainer en el tope de la columna azeotrópica, con lo cual se disminuyen los costos operativos, ya que usamos una nueva mezcla azeotrópica con un punto de ebullición menor a la obtenida por una destilación extractiva
• Existe una amplia gama de entrainers disponibles: Hidrocarburos alifáticos, aromáticos y cíclicos. El requisito principal es la inmiscibilidad con el agua

2. Destilación extractiva

• Se evita la formación de un ATH, puesto que el solvente interactúa más fuertemente con uno de los componentes de la mezcla que con los demás, permitiendo la separación
• El sistema de recuperación del solvente trabaja independientemente de la operación de la columna extractiva, por ello puede servir a varias columnas extractivas simultáneamente
• El solvente no es inflamable a condiciones ambientales, es poco tóxico, no es corrosivo ni cancerígeno. Es biodegradable en bajas concentraciones y puede ser disperso en agua sin causar daños ambientales

3. Destilación extractiva salina

• Producción de un destilado (EA) libre completamente del agente de separación, gracias a la bajísima solubilidad que presenta la sal iónica en el destilado
• Las sales iónicas comúnmente usadas son degradables y neutras en medios acuosos, lo cual minimiza el impacto ambiental de los efluentes
• Presenta un alto ahorro de energía, debido a la ausencia del ciclo evaporación-condensación del agente de separación

4. Pervaporación

• La selectividad en la separación del EA es alta e independiente del equilibrio de fases termodinámico, restricción física presente en las otras operaciones, lo cual permite variar los parámetros de operación según las necesidades del proceso
• Mayor ahorro energético que los anteriores procesos, ya que no se necesita de procesos auxiliares para la recuperación del agente de separación
• Mínimo impacto ambiental, puesto que no usa solventes ni sales orgánicas, y las membranas pueden ser recicladas, después de su tiempo de servicio

Limitaciones
1. Destilación azeotrópica

• Cualquier pérdida del “entrainer” en las corrientes acuosas puede crear problemas ambientales
• El proceso es difícil de operar y controlar, ya que las columnas azeotrópicas frecuentemente se comportan erráticamente dentro de ciertos rangos de operación en sus parámetros de control. Estas columnas pueden exhibir múltiples estados estables
• El uso del solventes orgánicos tóxicos o cancerígenos, como “entrainers” genera fuertes restricciones sanitarias

2. Destilación extractiva

• Es complicada la selección del solvente para una determinada mezcla, ya que hallar un compuesto con una estructura química afín, con una alta solubilidad en la mezcla, con una alta selectividad en la solvencia con respecto al componente clave y otros factores adicionales, limitan el uso de muchos solventes comerciales
• La mezcla acuosa del solvente suele tener un alto calor de vaporización, mayor al entrainer acuoso, usado en la destilación azeotrópica, lo cual constituye un mayor consumo de energía para la columna de recuperación
• La relación de reflujo del destilado en la columna extractiva puede presentar límites mínimos o máximos, los cuales disminuyen el grado de separación del compuesto clave de la mezcla alimentada y conlleva a establecer un rango fijo para esta relación

3. Destilación extractiva salina

• Se necesitan nuevos modelos termodinámicos para establecer o predecir el equilibrio de fases involucrado (solución iónica-vapor). Ya que los existentes pierden precisión cuando se consideran sales iónicas en un medio acuoso. Esta limitación conduce a carecer de la información clave para el diseño y simulación de esta operación
• Es complicado seleccionar la sal iónica para una mezcla alimentada, ya que la necesidad de realizar pruebas experimentales previas de solubilidad y de determinación de sus propiedades físicas, al estar disueltas en agua o en la mezcla, conlleva a elevar los costos pre-operativos y a necesitar de investigaciones científicas
• Existe la posibilidad de aumentar la corrosión interna de los equipos y tuberías del circuito de la solución salina. El uso del acero inoxidable o materiales similares disminuye esta limitación pero aumenta el capital requerido para invertir en esta operación

4. Pervaporación

• Se necesitan membranas de alta selectividad, lo cual eleva el costo de las unidades de pervaporación o conlleva a buscar constantemente nuevos tipos de membranas
• Se necesitan nuevos modelos fenomenológicos para simular y diseñar estas unidades, ya que esta operación esta regida por la transferencia de masa y la adsorción, en vez del equilibrio de fases termodinámico, como es el caso de las destilaciones azeotrópica y extractiva. Esto restringe las posibilidades de diseñar y simular las unidades a medida de las necesidades del proceso
• Sus costos operativos son mayores a las demás operaciones, ya que se necesita alcanzar bajas temperaturas para lograr la condensación del permeado y los flujos efluentes de la unidad suelen ser bajos, limitando la producción del EA

Artículo Original: Ingeniando la Química

Nota: el autor de este artículo es Ingeniero Químico, egresado de la Universidad Nacional del Callao (Perú), con un Doctorado en Ciencias, con mención en Ingeniería de Procesos y Sistemas, otorgado por la Universidad de Valladolid (España).

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Sugarcane