Separacion de la mezcla etanol-agua usando un sistema híbrido destilación-pervaporación

Abstract

Los combustibles E10 y E5 son gasolinas con contenido de etanol anhidro en un porcentaje 10% y 5%, respectivamente, los cuales permiten ofrecer un aporte en la disminución del CO2 producido en la combustión de automóviles. Este etanol procede de la fermentación de carbohidratos con alto contenido de sacarosa como el almidón, la caña de azúcar, entre otros y debe contener una pureza mayor al 99.5% en peso para poder utilizarse como combustible. Tecnologías como la destilación azeotrópica, extractiva, tamices moleculares, membranas, entre otras, son implementadas para la deshidratación de este alcohol. Para este trabajo, se implementan dos tecnologías, la destilación y la pervaporación, como sistema hibrido que permita tener una separación más efectiva de la mezcla azeotrópica etanol-agua. Para el caso de la destilación se utiliza el software Aspen Hysys® con el modelo termodinámico NRTL para la simulación, ya para el caso de la etapa de pervaporación la herramienta implementada es Matlab®, por medio del modelo de redes neuronales. Como principales resultados, se obtiene una columna de destilación convencional de 15 etapas, con alimentación en el plato 10 y una relación de reflujo de 2.16, y una etapa de pervaporación de 5 módulos con 12 m² de membrana cada uno y de tipo espiral, con un área total 60 m² y un flujo total de 0,108 kg/s, presentada en la configuración de membrana E49 con 10 capas ocultas. Finalmente, se obtiene un alcohol deshidratado con una fracción másica de 0,9976 apto para ser usado en combustibles renovables.

E10 and E5 fuels are gasolines with anhydrous ethanol content in a percentage of 10% and 5%, respectively, which allow to offer a contribution in the reduction of CO2 produced in the combustion of automobiles. This ethanol comes from the fermentation of carbohydrates with a high sucrose content such as starch, sugar cane, among others, and must contain a purity greater than 99.5% by weight in order to be used as fuel. Technologies such as azeotropic, extractive distillation, molecular sieves, membranes, among others, are implemented for the dehydration of this alcohol. For this work, two technologies are implemented, distillation and pervaporation, as a hybrid system that allows a more effective separation of the ethanol-water azeotropic mixture. For the case of distillation, the Aspen Hysys® software is used with the NRTL thermodynamic model for the simulation, and for the case of the pervaporation stage the implemented tool is Matlab®, through the neural network model. As main results, a conventional distillation column with 15 stages is obtained, with feeding in plate 10 and a reflux ratio of 2.16, and a pervaporation stage with 5 modules with 12 m² of membrane each and spiral type, with a total area of 60 m² and a total flux of 0.108 kg/s, presented in the E49 membrane configuration with 10 hidden layers. Finally, a dehydrated alcohol is obtained with a mass fraction of 0.9976 suitable for use in renewable fuels.