Compostaje

DESTILACIÓN PARA LA PRODUCCIÓN DE ETANOL

REALIZADO POR: MARTA OLIVA BEDOYA

CENTRO DE BIOCTENOLOGIA INDUSTRIAL

SENA – PALMIRA

2012

DESTILACIÓN FRACCIONADA

La destilación fraccionada es un proceso físico utilizado en química para separar mezclas (generalmente homogéneas) de líquidos mediante el calor, y con un amplio intercambio calórico y másico entre vapores y líquidos. Se emplea cuando es necesario separar soluciones de sustancias con puntos de ebullición distintos pero cercanos. Algunos de los ejemplos más comunes son el petróleo, y la producción de etanol.

La principal diferencia que tiene con la destilación simple es el uso de una columna de fraccionamiento. Ésta permite un mayor contacto entre los vapores que ascienden con el líquido condensado que desciende, por la utilización de diferentes "platos" (placas). Ello facilita el intercambio de calor entre los vapores (que ceden) y los líquidos (que reciben). Ese intercambio produce un intercambio de masa, donde los líquidos con menor punto de ebullición se convierten en vapor, y los vapores de sustancias con mayor punto de ebullición pasan al estado líquido.

Ejemplo

Considérese una mezcla de agua y etanol. El etanol hierve 78,4 °C mientras que el agua lo hace a 100 °C (en condiciones de presión normales). Calentando la mezcla, el componente más volátil se concentrará en mayor grado en el vapor resultante del líquido. Pero ocurre que algunas mezclas son eutécticas, y hierven a temperaturas más bajas que cada uno de sus componentes. En este caso, una mezcla de 96% de etanol y un 4% de agua, hierve a 78.2 °C, es decir, es más volátil que el etanol puro. Por ello, el etanol no puede purificarse más allá de ese límite mediante una destilación normal.

En la destilación fraccionada, la mezcla se pone en el aparato de destilación, que suele consistir en un matraz (u otro recipiente, en general esférico), en cuya parte inferior hay unas piedrecillas que impiden que el líquido hierva demasiado deprisa. En la boca del recipiente, en la parte superior, hay una columna de fraccionamiento, consistente en un tubo grueso, con unas placas de vidrio en posición horizontal. Mientras la mezcla hierve, el vapor producido asciende por la columna, se va condensando en las sucesivas placas de vidrio y vuelve a caer hacia el líquido, produciendo un reflujo destilado. La columna se calienta desde abajo y, por tanto, la placa de vidrio más caliente está en la parte inferior, y la más fría en la superior. En condiciones estables, el vapor y el líquido de cada placa de vidrio están en equilibrio y, solamente los vapores más volátiles llegan a la parte superior en estado gaseoso. Este vapor pasa al condensador, que lo enfría y lo dirige hacia otro recipiente, donde se licua de nuevo. Se consigue un destilado más puro cuánto más placas de vidrio haya en la columna. La parte condensada en la placa más cercana a la mezcla eutéctica contiene gradualmente menos etanol y más agua, hasta que todo el etanol queda separado de la mezcla inicial. Este punto se puede reconocer mediante el termómetro ya que la temperatura se elevará bruscamente.

DESTILACIÓN EXTRACTIVA

La destilación extractiva es una técnica utilizada para separar mezclas binarias azeotrópicas, en la que se adiciona un agente de separación o solvente, cuya característica principal es que no presenta la formación de azeótropos con ninguno de los componentes de la mezcla a separar.

El solvente altera de manera conveniente las volatilidades relativas de los componentes de la mezcla, por tal razón debe tener baja volatilidad para asegurar su permanencia en la fase líquida, además, para garantizar el contacto con la mezcla a lo largo de toda la columna debe tener un punto de ebullición superior al de los componentes a separar y se debe adicionar en una de las etapas cercanas al condensador, por encima de la etapa de mezcla azeotrópicas.

La configuración típica para un proceso de destilación extractiva es mostrado en la Fig. 5.13, en la cual se separan metil ciclohexano y tolueno. Estos dos componentes no forman un azeotropo, pero su volatilidad relativa es menos que 1,01 a bajas composiciones de tolueno. La volatilidad relativa de metil ciclohexano a tolueno es aumentada por la adición de un solvente. Esto permite la separación de estos dos componentes en menores etapas que las requeridas en destilación simple

El solvente elegido es menos volátil que cualquiera de los dos componentes y, en razón a mantener una alta concentración de solvente a lo largo de toda la columna, debe introducirse a la columna de destilación extractiva por encima del plato de alimentación.

Diagrama de flujo simplificado para proceso de destilación extractiva para separar tolueno y metil ciclohexano

VENTAJAS

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

DESTILACIÓN AZEOTRÓPICA

Consiste en adicionar un compuesto químico, llamado “entrainer”, a una mezcla de alimentación azeotrópica en una columna de destilación fraccionada, heterogénea (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 utilizada 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.

En química, la destilación azeotrópica es una de las técnicas usadas para romper un azeótropo en la destilación. Una de las destilaciones más comunes con un azeótropo es la de la mezcla etanol-agua. Usando técnicas normales de destilación, el etanol solo puede ser purificado a aproximadamente el 95%.

Una vez que se encuentra en una concentración de 95/5% etanol/agua, los coeficientes de actividad del agua y del etanol son iguales, entonces la concentración del vapor de la mezcla también es de 95/5% etanol/agua, por lo tanto las destilaciones posteriores son inefectivas. Algunos usos requieren concentraciones de alcohol mayores, por ejemplo cuando se usa como aditivo para la gasolina. Por lo tanto el azeotropo 95/5% debe romperse para lograr una mayor concentración.

En uno de los métodos se adiciona un material agente de separación. Por ejemplo, la adición de benceno a la mezcla cambia la interacción molecular y elimina el azeótropo. La desventaja, es la necesidad de otra separación para retirar el benceno. Otro método, la variación de presión en la destilación, se basa en el hecho de que un azeótropo depende de la presión y también que no es un rango de concentraciones que no pueden ser destiladas, sino el punto en el que los coeficientes de actividad se cruzan. Si el azeótropo se salta, la destilación puede continuar.

Para saltar el azeótropo, el azeótropo puede ser movido cambiando la presión. Comúnmente, la presión se fija de forma tal que el azeótropo quede cerca del 100% de concentración, para el caso del etanol, éste se puede ubicar en el 97%. El etanol puede destilarse entonces hasta el 97%. En la práctica, se destila a un poco menos del 95,5%. El alcohol al 95,5% se envía a una columna de destilación a una presión diferente, desplazándose el azeótropo a una concentración menor, tal vez al 93%. Ya que la mezcla está por encima de la concentración azeotrópica para esa presión, el etanol podrá ser destilado a concentraciones superiores, incluso a etanol prácticamente puro.

Para lograr la concentración requerida para el etanol como aditivo para la gasolina se usan comúnmente tamices moleculares en la concentración azeotrópica. El etanol se destila hasta el 95%, luego se hace pasar por un tamiz molecular que absorba el agua de la mezcla, ya se tiene entonces etanol por encima del 95%

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