Destilación azeotrópica
Para la deshidratación de la mezcla azeotrópica etanol-agua se usa ampliamente esta tecnología, con agentes como benceno, pentano, ciclohexano y dietil-eter. Sin embargo su alto costo de capital, sus altos requerimientos energéticos, su gran sensibilidad a impurezas en la alimentación y el uso de químicos tóxicos como el benceno, ha causado su eliminación en las plantas modernas de etanol y su reemplazo en las ya existentes.
En la figura se muestra un esquema de destilación azeotrópica para la deshidratación de etanol con benceno o agentes similares. El caldo proveniente de la fermentación (8−10% de etanol en peso) es alimentado a una columna de destilación donde se concentra hasta un 93%, este destilado es luego llevado a la columna de deshidratación donde se obtiene por fondos etanol anhidro. El producto de cima, con una composición cercana a la del azeótropo ternario, es condensado en dos fases líquidas, la fase orgánica, rica en el agente separador se devuelve a la torre como reflujo, mientras la fase acuosa es decantada y alimentada a una columna de recuperación, donde se obtiene benceno y la mayor parte del etanol restante como destilado, para ser recirculados a la columna de deshidratación, la cual a su vez debe contar con una corriente de alimentación fresca de benceno.
Destilación extractiva
Una de las técnicas usadas en la industria para separar la mezcla azeotrópica etanol agua es la destilación extractiva, que puede llevarse a cabo con agentes de separación líquidos como glicoles, glicerol, furfural, etilenglicol y tolueno, ó agentes de separación sólidos como sales solubles.
• Destilación con agentes separadores líquidos
La destilación extractiva convencional con solventes líquidos requiere como mínimo una secuencia de 3 pasos, tal como se muestra en la figura siguiente. El primer paso consta de una destilación para llevar el etanol hasta una concentración cerca a su punto azeotrópico, en el segundo se realiza la destilación extractiva obteniéndose etanol anhidro como destilado y el tercero comprende la recuperación del solvente por destilación para ser recirculado al proceso.
• Destilación con sales
La destilación extractiva con sales es similar a la destilación extractiva con agentes líquidos; la sal (componente no volátil) es alimentada por la cima de la columna (preferiblemente disuelta en la corriente de reflujo), fluye a lo largo de esta y es completamente removida en los fondos, haciéndose mas fuerte su efecto en la sección de rectificación que en la de agotamiento [45]. La sal es posteriormente reconcentrada para ser recirculada al proceso, la técnica de recuperación consiste generalmente de un tren de evaporadores para concentrar la solución salina y un secador spray para completar la purificación de la sal como se presenta en la figura. Entre las sales estudiadas para la deshidratación de etanol se encuentran el cloruro de sodio (NaCl), el cloruro de potasio (KCl), el cloruro de calcio (CaCl2), el yoduro de potasio (KI) y el acetato de potasio. Una de las principales ventajas de esta tecnología es su bajo consumo energético, como se ve en la tabla siguiente.
Tamices moleculares
Los tamices moleculares son sustancias granulares, duras, esféricas o cilíndricas fabricadas a partir de materiales tales como potasio y aluminosilicatos. Se clasifican de acuerdo al diámetro nominal del poro interno, que provee el acceso al volumen intersticial libre encontrado en la estructura microcristalina. Para la deshidratación de etanol se utiliza un tamiz Tipo 3Å, lo que significa que el diámetro medio de los caminos intersticiales es de 3Å, esto debido a que la molécula de agua tiene un diámetro medio menor a este valor, mientras que la del etanol es mayor. Además, las moléculas de agua pueden ser adsorbidas sobre la superficie interna de los poros del tamiz. Estas razones son las que hacen útiles los tamices moleculares para la separación de la mezcla etanol agua.
Este proceso puede realizarse para mezclas etanol-agua tanto en fase vapor como en fase líquida; en esta última se requiere aplicar gas caliente para regenerar el tamiz desplazando al agua de este, sin embargo, el tamiz se deteriora rápidamente (vida media 6 meses) por el choque térmico. La integración de este sistema con la tecnología PSA (pressure swing, vacuum purge adsorption) consta de dos lechos de deshidratación, mientras uno opera a presión produciendo etanol anhidro, el otro es regenerado con el reciclo de una porción de etanol anhidro sobrecalentado y presiones de vacío, se presenta en la figura siguiente; de esta manera el tiempo de vida medio se prolonga a varios años.
Sistema de destilación-pervaporación (proceso híbrido)
Para la deshidratación de etanol los procesos híbridos son las tecnologías mas prometedoras, especialmente el sistema destilación-pervaporación. Este sistema consiste en una columna de destilación para llevar la mezcla a su punto azeotrópico y una unidad de pervaporación para deshidratar el etanol. La estructura general de los sistemas de destilación pervaporación se presenta en la siguiente figura. El producto de cima de la columna se bombea a la primera sección del tren de membranas, en cada sección el producto retenido (corriente de etanol) es recolectado y llevado a un intercambiador de calor para recalentarlo y enviarlo a la siguiente sección. Del lado del permeado opera un sistema de vacío, el permeado retirado puede ser recirculado a la columna de destilación en su totalidad o parcialmente.
Según simulaciones, para un caso industrial se puede obtener un retenido con un 99,7% en peso de etanol y un permeado con alrededor de 30%.
Destilación a vacío
Por debajo de los 6 kPa el azeótropo agua-etanol desaparece y la separación de los componentes se hace teóricamente posible. El sistema para obtener etanol anhidro por destilación a vacío consta de dos columnas consecutivas, en la primera se alimenta la solución diluida para llevarla hasta una composición cercana a la azeotrópica, el producto de esta columna es llevado a la segunda, que opera a vacío, para deshidratar el etanol y obtener una composición por encima del 99% en volumen. Para obtener un producto de alta pureza es necesario utilizar columnas de deshidratación con un gran número de etapas (por encima de 40) y con altas relaciones de reflujo, incurriéndose así en elevados consumos energéticos y altos costos de capital. En la siguiente Figura se presenta un diagrama esquemático del proceso.
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