Diseño de un tren de columnas de destilación azeotrópica para optimizar el proceso de purificación del etanol

Abstract

Los combustibles renovables y sostenibles atraen la atención como sustitutos del petróleo debido a su potencial para impactar positivamente los desafíos ambientales de nuestro planeta. En este contexto, se desarrolló el concepto de Biorrefinería, en analogía con las refinerías de petróleo actuales, para producir productos químicos y combustibles a partir de biomasa como materia prima. Entre los potenciales productos de interés, el etanol destaca especialmente por sus características, que lo catalogan como un combustible “drop-in”, con importantes ventajas sobre el bioetanol. El bioetanol se puede producir a partir del proceso de fermentación ABE, tras lo cual debe separarse y purificarse. La actual tesis investiga el diseño y optimización de una sección de destilación azeotrópica para separar la mezcla de agua y etanol, que se genera desde la planta de separación de ABE. Este proceso adicional permite aumentar la recuperación de butanol, que es el más valioso de los productos de fermentación. El trabajo presenta una breve investigación de la operación de destilación, así como de la termodinámica del equilibrio vapor-líquido y de azeótropos. Luego, se idea un proceso para separar la mezcla de agua y butanol, un azeótropo heterogéneo de máximo punto de ebullición, aprovechando la separación de fases y el equilibrio líquido-líquido que se establece. El proceso se valida mediante simulación en estado estacionario utilizando simuladores comerciales. Se investigan los resultados en términos de requerimiento energético, variando la concentración de butanol en la corriente de alimentación y los modelos de coeficiente de actividad para su cálculo. En comparación con la literatura, los modelos propuestos proporcionan resultados coherentes, permitiendo la optimización mediante un análisis de sensibilidad de variables relevantes. Los resultados señalaron la mejor alternativa de diseño que generaría el menor requerimiento energético. Luego, el diseño optimizado se detalla en términos de esquema de control para la investigación utilizando simulaciones impulsadas por la presión. Los resultados generaron cambios adicionales en el diseño para hacer frente a la dinámica del proceso. Finalmente, se proporciona una estimación preliminar de los costos de instalación y operación del proceso.

----- Renewable and sustainable fuels are gaining attention as alternatives to petroleum because of their positive impact on our planet's environmental challenges. In this context, the concept of a biorefinery was developed, similar to current oil refineries, producing chemicals and fuels from biomass as raw material. Among the potential products of interest, ethanol stands out in particular for its characteristics, which classify it as a "drop-in" fuel, with important advantages of bioethanol. Bioethanol can be produced from the fermentation process of ABE, after which it must be isolated and purified. The present paper investigates the design and optimization of an azeotropic extraction section for the separation of water and ethanol mixtures, which is produced from an ABE separation plant. This additional process allows the recovery of butanol, which is a very valuable fermentation by-product. This work presents a brief study of distillation operations, as well as the thermodynamics of vapor-liquid equilibria and azeotropics. Then, a process was developed to separate the mixture of water and butanol, a heterogeneous isotrope with a high boiling point, taking advantage of the phase separation and the liquid-liquid equilibrium that was established. The process is validated by steady-state simulation using commercial simulators. The results are analyzed in terms of energy requirement, the concentration of butanol in the feed stream and the performance coefficient models for its calculation are different. Compared to the literature, the proposed models provide consistent results, allowing optimization through sensitivity analysis of relevant variables. The results indicated the best design alternative that would result in the lowest energy requirement. The desired design is then detailed in terms of a control scheme for investigation using stress run simulations. The results led to additional design changes to address process dynamics. Finally, a preliminary estimate of the installation and operating costs of the process is provided.