Aula No 20 Destilação

Prévia do material em texto

1
- A.20 -
DESTILAÇÃO, RETIFICAÇÃO E
DESIDRATAÇÃO:
CONSIDERAÇÕES TEÓRICAS,
SISTEMAS OPERACIONAIS
INTERMITENTE E CONTÍNUO
Guia para Iniciação ao Estudo da Agroindústria Sucro-alcooleiraGuia para Iniciação ao Estudo da Agroindústria Sucro-alcooleira
2
1. INTRODUÇÃO
 Vinho
(natureza)
líquida
sólida
gasosa
Etanol - 5 a 10% (v)
Água
outras substâncias (ácidos succínico e acético, glicerina,
furfurol, álcoois homólogos superiores - amílico,
isoamílico, propílico, isopropílico, butílico, aldeido acético,
acetato de etila, etc.)
a) suspensão:
células de leveduras, bactérias
substâncias não solúveis (bagacilho, etc).
b) solução:
açúcares não fermentados, substâncias infermentescíveis,
matérias albuminóides, sais minerais, etc.
CO2
3
1
H
1
E
1
E
2 I H
I
2
4
• Do ponto de vista de volatilidade das substâncias do vinho (grupos):
⇒ voláteis: etanol, água, aldeídos, álcoois superiores, ácido acético, etc.
⇒ fixas: extrato do mosto, células de leveduras e de bactérias, etc.
• Para separação do álcool dos demais componentes do vinho:
⇒ baseado na diferença do ponto de ebulição das substâncias voláteis.
Sistemas de
 Destilação
1ª Operação
(Destilação)
2ª Operação
3ª Operação
Epuração (A1) e concentração de cabeça (D):
eliminação parcial das impurezas de cabeça
(aldeídos e ésteres) → retirada de parte em álcool 2ª
Destilação (A)
Retificação: purificação e concentração de etanol
através de eliminação de álcoois homólogos
superiores (óleo fusel).
Desidratação: fracionamento de misturas
azeotrópicas ou adsorção seletiva.
flegma (45 a 50% álcool Vol.)
vinhaça - acum. de substâncias
fixas e parte das voláteis
Álcool hidratado (92,6 a 93,8° INPM)
Flegmaça
5
2. DESTILAÇÃO
2.1. CONSIDERAÇÕES TÉORICAS
P p ,onde:
Q q<
P = quantidade de álcool (vinho)
Q = quantidade de água (vinho)
p = quantidade de álcool (destilado)
q = quantidade de água (destilado)
6
2.2. PRÁTICA (Processos)
(a) Destilação Intermitente Simples
a1) Alambique simples
1. Cucurbita ou Caldeira
2. Capitel, Domo ou Elmo
3. Alonga ou Tubo de Condensação
4. Resfriador
5. Tubulação de vapor
6. Entrada de vinho
7. Descarga de vinhaça
8. Válvula igualadora das pressões
9. Canalização de destilados
11. Ladrão
12. Caixa receptora
7
a2) Alambique “3 corpos”
1. Caldeira de esgotamento
2. Capitel, Domo ou Elmo
3. Alonga ou Tubo de Condensação
4. Caldeira de destilação
5. Aquecedor de vinho
6. Câmara de refrigeração
7. Alimentação de vinho
8. Esgotamento de vinhaça
9. Entrada de vapor
10. Purgador
11. Registro de comunicação
12. Válvula de segurança
13. Válvula igualadora das pressões
14. Termômetro
15. Condensador ou resfriador
16. Tubulação de destilados
17. Nível de corpos
8
(b) Destilação Sistemática
b1) Conjunto de destilação
9
b2) funcionamento
A - Coluna de destilação
E - Aquecedor de vinho
E1 - Condensador auxiliar
R - Resfriadeira
T - Trombeta
P - Proveta
V - Vinhaça
A
Coluna de
baixo grau
(60% Vol.)
10
3. RETIFICAÇÃO
3.1. INTRODUÇÃO
Flegma processo de Retificação
(mistura hidroalcoólica depuração
 impura - baixo ou alto grau)
- impurezas: aldeídos, ésteres,
álcoois homólogos superiores,
ácidos e bases voláteis.
 cabeça e cauda
(P.E.imp. < P.E.etanol) (P.E.imp. > P.E.etanol)
 Classificação
de impurezas
(baseado no pto
ebulição relativo)
Álcool retificado
etílico 92,6º a 93,8° INPM
flegmaça
Óleo fusel
Cabeça: aldeídos e ésteres
cauda: álcoois homólogos superiores, 
furfurol e alguns produtos “híbridos”, etc.
tronco de 
esgotamento (B)
tronco de 
concentração (B1)
11
3.2. CONSIDERAÇÕES TEÓRICAS
(1) Teoria de Sorel (através da solubilidade das impurezas no álcool concentrado e quente)
→ relação de impurezas nos vapores alcoólicos e do líquido gerador (vinho).
(2) Teoria de Barbet (baseia-se na temperatura de ebulição de cada impureza) →
relaciona-se a impureza do álcool dos vapores em relação ao álcool do líquido gerador
 K’ (coef. de purificação) = impurezas no vapor de álcool
impurezas no líquido gerador
Se K’ > 1 → impureza (prod. de cabeça)
K’ < 1 → impureza (prod. de cauda)
Quadro - Valores de K’ (Barbet) em função da relação entre impurezas no vapor e no
líquido gerador.
* Produto híbrido
Graus G.L. no
líquido gerador
Álcool
Isoamílico*
Acetato de
etila
Isobutirato de
etila
Isovalerianato
de etila
Acetato de
isoamila
1 3,30 - - - -
10 - 5,67 - - -
30 1,30 5,43 - - -
40 1,05 4,77 - - -
50 0,80 3,86 - - 1,87
60 0,61 3,30 3,13 1,76 1,31
70 0,44 3,07 1,96 1,45 0,94
80 0,36 2,77 1,30 1,20 0,74
90 0,26 2,37 1,07 0,88 0,59
12
3.3. PRÁTICA
(Processo)
13
3.3.1. Fluxo de vapor em vários tipos de calotas
escamada valvulada
14
3.3.2. Esquema de operação dinâmica do prato comborbulhador ou calotas(Copersucar)
15
Trocador K
16
4. DESIDRATAÇÃO
4.1. INTRODUÇÃO
Álcool retificado formação de mistura
 94,0% Vol. INPM azeotrópica
Opção técnica fracionar a mistura azeotrópica binária
4.2. CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE DESIDRATAÇÃO (PRINCIPIO):
⇒ 1º Grupo: Processos Azeotrópicos Benzol e Ciclohexano
⇒ 2º Grupo: Processos Extrativos Marriler (glicerina) e Monoetileno glicol
⇒ 3º Grupo: Peneira Molecular Zeolitos
⇒ 4º Grupo: Membrana Seletiva filtro de silicato (sistema à vácuo)
binária - álcool - água
(97,2%v) (2,8%v)
* Ponto ebulição Pontos ebulição individuais
 (mist. binária) dos componentes
• Pto de ebulição: 78,15ºC
• não se fraciona por destilação
<
→ estável
17C B A
decantador
P
Princípio: benzol - formam-se novas misturas
azeotrópicas e libera o álcool anidro:
(a) binária - álcool (97,2%v.) + água(2,8%v.)
- azeotropica: ponto de ebulição inferior ao
dois componentes
(b) usa o benzol para formar a ternária
(água - álcool - benzol), que tem mais água
na composição e liberando o álcool
→ Substituição do “benzol” - motivado por:
características cancerígenas (Min. da
Saúde);
não aceito no exterior p/ comércio de
etanol.
condensadores
D
Trocador K
4.3. Grupo 1: Processo Azeotropico – Melle Guinot
18
19
Condições operacionais: ciclohexano (1/3)
• Coluna de Destilação (A):
– Seção A:
• número de pratos: 16 a 20
• pressão de trabalho: 4,5 a 5,0 mca
• temperatura da base: 110 a 112oC
• temperatura de saída de flegma: 100 a102oC
• flegma - teor de alcóolico: 45 a 50 GL
– Seção A1:
• número de pratos: 6
• temperatura: 95oC
• passagem pelo sifão cônico
• entrada de vinho em bandeja abaixo cônico A1/D
– Seção D:
• número de pratos: 6
• temperatura: 80oC
20
Condições operacionais: ciclohexano (2/3)
• Coluna de Retificação (B):
– Seção B (Concentração):
• número de pratos: 42
• temperatura de saída dos álcoois superiores: 80oC
• temperatura de entrada do flegma (base B/B1): 100 a102oC
• retirada de óleo alto: bandeja 6 a 12
– Seção B1 (Esgotamento):
• número de bandejas: 13
• pressão de trabalho: 3,8 a 4,0 mca
• saída de flegmassa (processo Flegestil: flegmassa vai na bandeja
de entrada de vinho)
• retirada de óleos baixos: bandejas 8 a 11
21
Condições operacionais: ciclohexano(3/3)
• Coluna de Desidratação (C):
• número de pratos: 42
• temperatura C14 (Zona binária): 68 a 72oC
• temperatura da base na saída do álcool anidro: 80oC
• pressão de trabalho:2,6 a 2,8 mca
• Coluna de recuperação do ciclohexano (P):
• tronco de concentração / esgotamento
• número de bandejas por tronco: 20 (concentração) e 20 (esgotamento)
• temperatura da coluna P :
– base do tronco de esgotamento (40 bandejas): 102 a 103oC
– base do tronco de concentração : 85 a 90oC
– retirada na bandeja no.37 (completo - 40 ) ou no.17(conc.-20): 78oC
• Decantador de ciclohexano:
• fase superior do ciclohexano: volta para coluna C (ponto de entrada)
• fase inferior água/álcool - volta na bandeja B4
22
23
Decantador do ciclohexano - 
controle de pressão e temperatura,
lunetas separadas das fases.
Decantador a frio do ciclohexano - detalhe de níveis de fases.
24
Desvantagens termodinâmicas do Ciclohexano:1. Maior consumo de vapor - 15 a 40% - colunas C (desidratação) e P
(recuperação), devido a sua menor capacidade de absorver água → maiores
taxas de refluxo;
2. Redução da capacidade efetiva da planta e temperaturas menores na coluna C de
3 a 4ºC (65 a 74ºC);
3. Maior consumo de água de condensação;
4. Menor eficiência do decantador ternário feito à “frio” (55ºC). Requer um volume
para a retenção (> 2 a 3 vezes) e 25% da fração é pesada)
5. Perda da capacidade dos condensadores pelo subresfriamento (3 a 4ºC) (menor
temperatura de ebulição).
25
 4.4. Grupo 2 : Desidratação do álcool por ação extrativa
– Histórico: Principio de Mariller ou extrativo: baseado em adsorvente de
água (afinidade) ou álcool. Marriler com a glicerina até a década de 50 e o
Prof. Meirelles da Unicamp, na decada de 80, defendida uma tese de
doutoramento nos fins da década de 80 na Technische Hochüle
“Carlchorlemmer” ( Alemanha) desenvolvendo o sistema do Monoetileno
glicol.
– Princípio de Desidratação: baseado na capacidade de determinado
solvente de alto ponto de ebulição é adicionado a uma determinada
mistura, de forma a alterar a volatilidade relativa dos seus componentes,
desaparecendo, na presença do solvente, qualquer mistura azeotrópica.
Na destilação extrativa a utilização dos etileno glicóis como agentes para
quebrar o azeótropismo da mistura etanol/água. Há ausência de
azeótropos e a característica é de que o solvente pode ser recuperado por
simples destilação, faz-se assim, da destilação extrativa um sistema de
desidratação muito mais vantajoso do que os processos azeotrópicos
convencionais.
26
 
 GLICÓIS: são hidrocarbonetos que contém dois grupos hidroxila, adjacentes ou
não, pertencentes à família dos álcoois, cujo composto mais simples é o mono
etileno glicol, de fórmula: OH-CH2-CH2-OH .
OBTENÇÃO
REAÇÃO QUÍMICA DA ÁGUA COM ÓXIDO ETENO => MONOETILENO GLICOL
(MEG)
MONOETILENO + ÓXIDO DE ETENO => DIETILENO GLICOL
DIETILENO + ÓXIDO DE ETENO => TRITILENO GLICOL
E assim sucessivamente…
LÍQUIDO INCOLOR, LÍMPIDO, VISCOSO
PH ~ 6,5 – 7,5
Miscíveis em água em qualquer proporção.
Não tem ação irritante sobre a pele, e contato mais prolongados causam
desengorduramento da pele.
Recomenda-se manuseio com luvas de borracha, óculos de segurança e máscara
facial.
27
ØOs etilenoglicóis têm alto ponto de fulgor, pressões de vapor muito
baixas e portanto, não emitem vapores nocivos para a atmosfera sob
condições ambientais normais.
Ø Não causam intoxicação.
Ø Não são corrosivos.
Ø Baixa toxicidade, salvo quando ingeridos;
Ø São biodegradáveis e em pequenas porções, podem ser dispersos em
cursos d’água de acordo com as leis ambientais locais.
Ø Não são cancerígenos (O benzeno é considerado destruidor dos glóbulos
vermelhos. O ciclo-hexano não se enquadra nessa categoria ainda).
Ø Principal Produtor Nacional: OXITENO
Ø Distribuidor em São Paulo: AGRO QUÍMICA MARINGÁ/ ETIL S.A.
ETILENOGLICOIS E MEIO AMBIENTE
Fonte: Sartori - NG (2002)
28
DESTILAÇÃO EXTRATIVA 
VIA MONOETILENO GLICOL
C
L
H
Condensados
100 oC
Álcool Anidro
99,3 %w - 30 oC
Água Fria
27 oC
C
R
H
Condensados
100 oC
Álcool Anidro
99,3 %w - 30 oC
Água Fraca
30 %w - 55 oC
C
R
H
Condensados
100 oC
Álcool Anidro
99,3 %w - 30 oC
Água Servida
45 oC
C
PR
IH
Vapor Direto
10 Bar - 183 oC
vapor de escape
1,5 Bar - 127 oC
Condensados
100 oC
Água Servida
40 oC
Condensados
100 oC
Álcool Anidro
99,3 %w - 30 oC
Vácuo
25 " Hg
Álcool Hidratado
93 %w - 30 oC
vapor de escape
1,5 Bar - 127 oC
I1
MEG Puro
29
H2O
21 kg/cm2 Nível 0,00m
VAPOR DE 10kg/cm2
185-200ºC
"M
E
G
" 
P
U
R
O
"M
E
G
" 
IM
P
U
R
O
VAPOR DE 18-20 psi
VEGETAL/ESCAPE
E
TO
H
 "
O
U
T
"
T-301
T-
301
B
c cc
T-401
Fluxograma básico: monoetileno glicol
Fonte: Stupiello, 2003
30
Condições operacionais: monoetileno glicol (MEG)
– Tipos de Alimentação: a) vapor e b) liquido - coluna B e tanque
• Coluna de Desidratação (C):
• Seção de concentração (número de bandejas): 52
• Seção de esgotamento (número de bandejas): 16 (T. de 160o C)
– coluna calotada ou valvulada
– pressão na bomba de álcool: 40 a 45 mca
– temperatura de entrada do álcool na coluna:110oC
• aquecimento de álcool por vapor vegetal ou escape: 125 a 127oC
• pressão do vapor aquecedor: 1,30 a 1,45 kg/m2
• aquecedor do MEG - vapor : 190 a 200 oC
• Pressão de vapor : 10 kg/cm2
• Temperatura da base da coluna: 160oC
• Coluna de recuperação (MEG):
• coluna trabalha com vácuo : 18“
• temperatura da base: 160oC
• temperatura de cabeça (onde sai a água): 55oC
31
 4.5. Grupo 3 : Desidratação do álcool por meio de peneira
molecular
Princípio de Desidratação: baseado na capacidade de adsorção seletiva de
substâncias denominadas zeolito. Quando da passagem, em fase de vapor,
de um fluxo contendo álcool + água, as moléculas de água ficam “presas” na
estrutura cristalina especialmente desenvolvida. Daí o nome de PENEIRA
MOLECULAR.
Peneira Molecular(PM) tem baixa capacidade adsorvitiva = 21 kg H2O /
100 kg de PM, mas é o mais forte dos adsorventes, pois nela agem vários
mecanismos de adsorção.
 Principio ativo é Zeólito tipo A:
(1) Adsorvente sintético de estrutura cristalina similar a certos minerais naturais.
(2) Cristais com cavidades interconectadas e uniformes, separadas por estreitas
e uniformes aberturas chamadas poros.
32
Zeólito tipo 3A
• Poro com 3 Å de
diâmetro.
• Molecula da água tem
2,8 Å de diâmetro.
• Molecula de etanol
tem 4,4 Å de diâmetro.
• 1 Ångstron é igual a
0,000.000.000.1m
Adsorção = fixação das moléculas, geralmente de um fluxo líquido
ou gasoso, na superfície de um sólido sem que as moléculas passem a
fazer parte deste sólido.
33
Tempo e coluna de adsorção
Coluna com leito
imóvel, contendo
somente resina. (1) O tempo de contato
entre a molécula de água
e o adsorvente é de meio
a dois segundos.
(2) O tempo de adsorção
associado à taxa de
adsorção é que irá definir
qual será o tempo de
alimentação.
 (3) Após a saturação de
todo o leito é iniciada a
regeneração.
TEMPO é função de:
Fonte: NG-Dedini, 2002.
34
Planilhas de Tempo
P M - 1
P M - 2
P M - 3
0 min 6 min 12 min 18 min
alimentação regeneração repressurização
Fonte: NG-Dedini, 2002.
35
36
Condições operacionais: peneira molecular
– Tanque de hidratado
– Aquecedor de álcool: 85 a 90oC
• vapor de aquecimento: vegetal
• temperatura do evaporizador: 135 a 140oC
• pressão de vapor aquecido supersaturado: 6 kg/cm2
• pressão na bomba de recalque de álcool:4,5 a 5,0 kg/cm2
• saída dp liquido de regeneração (18 a 20%): 65 a 75o IMPM
• pressão do vapor aquecedor: 1,30 a 1,45 kg/m2
• vácuo da coluna de regeneração: -0,8 kg/cm2
• pressão na célula de operação: 2,5 a 3,5 kg/cm2
37
Tempo de vida média da resina de 8 safras
38
• Desvantagens:
– Necessidade absoluta de instrumentação computadorizada
– Controle contínuo da qualidade da alimentação
– Difícil avaliação no tempo, dos custos de reposição das resinas
– Número limitado de fornecedores da resina que ainda não é
fabricada no Brasil e e necessidade de importação da mesma
– Custo inicial da implantação muito elevado (triplo do ciclohexano)
– Reciclo contínuo de 20 a 25% álcool alimentado para desidratar,
para o sistema de retificação existente.
39
COMPARAÇÃO DE PROPRIEDADES COM OUTROS
DESIDRATANTES, ETANOL E ÁGUA
Propriedade Glicóis Ciclohexano Benzeno Etanol Água
P. Molecular > 62 84,16 78,11 46,07 18,01
Pressão de 
Vapor a 20ºC
< 0,6 mmHg 77,55 mmHg 75,20 mmhg 44,04 mmHg 17,35 mmHg
Volat. Relativa > 1.0 > 1292 > 1253 > 734 > 289
Viscosidade 18,37 Cp 0,96 CP 0,638 Cp 1,148 Cp 1,016 Cp
Densidade 1.112 g/ml 0,778 g/ml 0,885 g/ml 0.794 g/ml 1.0 g/ml
P.E. a 1 atm > 197ºC 80,7ºC 80,1ºC 79,3ºC 100ºC
Calor específico 0,56 0,68 0,67 0,65 1,0
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS:
40
COMPARAÇÃO COM OUTROS PROCESSOS: QUALIDADE DO
PRODUTO OBTIDO (Sartori, 2002)
Notas Importantes:
• E bom salientar que todos os 3 álcoois, tiveram como origemo mesmo vinho e a mesma
fonte de destilação;
• Em dezenas de análises cromatográficas do álcool anidro, jamais foram encontrados
contaminações de desidratante. Elas podem ocorrer quando o aparelho não é bem operado.
Amostra
Destilação 
Azeotrópica (Ciclohexano)
Peneira 
Molecular
Destilação 
Extrativa
1-Acidez (ppm) 9,7 9,8 9,6
2-Aldeídos (mg/100 ml) 2,12 5,17 1,43
3-Acetona (mg/100 ml) 0,53 0,61 1,97
4-Metanol (mg/100 ml) 4,21 4,39 4,84
5-Ésteres (mg/100 ml) 4,20 4,05 4,03
6-Alcoois Superiores (mg/100ml) 11,70 11,40 ISENTO
7-Odor Característico Característico Suave
8-Desidratante (ppm) Min. De 50 ISENTO NÃO DETECTADO
9-Teste de Permaganato (Barbet) De 4 a 8 minutos De 4 a 10 minutos De 10 a 30 minutos
Npropanol (mg/100 ml) 8,21 7,66 Isento
Isobutanol (mg/100 ml) 1,21 1,3 Isento
Nbutanol (mg/100 ml) 2,25 2,4 Isento
Isoamílico (mg/100 ml) Isento Isento Isento
A
LC
O
O
L
 S
U
PE
R
IO
R
41
COMPARAÇÃO COM OUTROS PROCESSOS :
TABELA COMPARATIVA DE CONSUMO
 
Destilação Extrativa Peneira Molecular
Destilação
Azeotrópica
Vapor
(Kg/litro)
0,48 a 0,75 (1) 0,6 (2) 1,5 a 1,6
Água
(litros/litro) 35 - 38 35 - 40 65
Desidratante
(litros/m3)
Máx. 0,2 8 anos/carga,
segundo o fabricante
0,5 a 0,9
Reciclo de
álcool (%) Máximo 0,55 Mínimo 15 0 a 25
Energia
Elétrica
(Kwh/m3)
Máximo 7,22 Mínimo 9,51 Mínimo 11,1
• Consumo segundo a alimentação seja em fase vapor ou em fase líquida
• Consumo garantido pelos fabricantes e que , normalmente, não leva em consideração o
acréscimo necessário para reprocessar o reciclo de álcool;
• O reciclo de álcool não ocorre somente no processo ANITEC de propriedade intelectual da NG,
onde a coluna “P” esgota todo o álcool da fase pesada do decantador. No sistema convencional
ele ocorre em proporções que variam de 15 a 25%, utilizando o ciclo-hexano como agente de
desidratação.