Methods for the utilization of waste heat of acetone - butanol - ethanol distillation

Abstract

El objetivo de este proyecto es la mejora del proceso de destilación de la mezcla de acetona, butanol y etanol (ABE) para que sea más eficiente energéticamente. Esto se llevará a cabo mediante el estudio de diferentes métodos para aprovechar el calor residual liberado en el proceso. ABE es una mezcla acuosa de acetona, butanol y etanol, que son sustancias ampliamente utilizadas en la industria química. El etanol y el butanol también son biocombustibles. La mezcla ABE se obtiene a partir de la fermentación de biomasa y otros residuos agrícolas y se necesita un proceso de separación para obtener los componentes individualmente. La destilación es una de las técnicas de separación más desarrolladas para este caso y es la que se ha estudiado a lo largo de este proyecto. Esta técnica se basa en la diferencia de volatilidad de los componentes de una mezcla acuosa, que permite que algunos sean extraídos a través de ebullición selectiva y condensación. Cuando una mezcla que contiene sustancias de diversas volatilidades se lleva a ebullición, la composición del vapor liberado es diferente de la del líquido en ebullición. A una temperatura dada, el vapor tiene una mayor cantidad del componente más volátil. Algunas excepciones a esto son las mezclas azeotrópicas, en las cuales la composición de vapor y líquido son iguales. En el caso de la mezcla ABE, se forma un azeótropo entre el agua y el etanol. La destilación puede tener una o varias etapas. Para la destilación ABE, se requiere un proceso de múltiples etapas. En este tipo de destilación, hay una serie de platos dispuestos verticalmente en el interior de una columna, por lo que el líquido fluye a la etapa inferior y el vapor se eleva hacia la etapa superior. Por cada etapa a través de la cual pasa el vapor, crece la concentración del componente más volátil. En el líquido, la concentración de este componente disminuye a medida que desciende. El vapor final obtenido en la parte de arriba se condensa y parte del líquido se devuelve a la columna como reflujo. El líquido obtenido en el fondo va a un hervidor de agua donde se vaporiza parcialmente y el vapor producido también es devuelto a la columna. El líquido restante es el producto. En una destilación ABE convencional, se utilizan una serie de cuatro columnas de destilación. En la primera se obtiene acetona casi pura. En la segunda, se obtiene en su parte superior etanol y el producto del fondo se envía a un decantador donde se separan el agua y el n-butanol. La fase acuosa obtenida en este decantador tiene un bajo porcentaje de n-butanol, por lo que se requieren otras dos columnas para obtener butanol de alta pureza. Este método convencional presenta varias desventajas, la más importante es la gran cantidad de energía que se necesita para recuperar los productos de una mezcla acuosa de baja concentración en ABE. Esta es la razón por la que se implementan tratamientos previos para concentrar el butanol en la corriente de alimentación a la unidad de destilación. Una buena alternativa es el uso de la pervaporación como tratamiento previo: se instala una unidad de pervaporación para tratar los productos de fermentación y lograr una concentración de ABE lo suficientemente alta como para permitir una separación líquido-líquido de la mezcla al comienzo del proceso. Debido a la separación líquido-líquido, el butanol se puede recuperar de la fase orgánica rica con una sola columna de destilación. La recuperación de la acetona y el etanol se realiza con otras tres columnas de destilación: la primera para la eliminación de agua, la segunda recupera la acetona en la parte superior y la última obtiene el azeótropo etanol-agua también en la parte superior.