Processos de Separação

Os processos de separação utilizados nas unidades de processamento de cana- de-açúcar empregam a destilação para a produção de álcool hidratado (AEHC), teor alcoólico 92,6 a 93,8% em massa, e o processo de desidratação para a produção de álcool anidro (AEAC), teor alcoólico de no mínimo 99,3% em massa de etanol. A matéria-prima desse processo é o vinho delevedurado, que possui teor alcoólico entre 8 a 12%, dependendo do rendimento da fermentação.

3.6.1

Destilação

A mistura etanol-água é uma mistura não ideal, já que os seus componentes

formam um azeótropo3.5. Dessa forma, a destilação alcoólica realiza a concentração

da mistura até os pontos próximos do azeótropo. A configuração mais freqüente desse processo nas usinas brasileiras é a utilização de 5 colunas: A, A1, D, B e B1. A figura 3.11 demonstra o fluxograma dessa configuração.

Figura 3-11 – Fluxograma esquemático do processo de destilação do tipo ABB1 [MEIRELLES, 2006]

3.5

Azeótropo: solução de dois ou mais componentes que, sob pressão constante, tem uma temperatura de vaporização isotérmica perfeitamente determinada.

A coluna A é conhecida como coluna de esgotamento do vinho, A1 de epuração do vinho, a D de concentração de álcool de segunda. Esse grupo de coluna é conhecido como conjunto de destilação. Já a coluna B, utilizada para enriquecimento e retificação da flegma, e a coluna B1, de esgotamento, são conhecidas como colunas de retificação.

A coluna A1 tem a função de purificar o vinho de substâncias de maior volatilidade e dos gases contaminantes, completar o aquecimento e, geralmente, é constituída de 4 pratos. O vinho é alimentado no topo da coluna A1 e a flegma, teor alcoólico de aproximadamente 40% em massa, é retirada no topo da coluna A (fundo da coluna A1), que geralmente possui entre 16 a 24 pratos e é enviada para a coluna B. A coluna D, instalada sobre a coluna A1, tem a função de concentrar os produtos mais voláteis do vinho e possui, geralmente, 6 pratos. O vapor obtido no topo da coluna D é condensado no trocador de calor R e no condensador auxiliar R1, sendo o fluxo dividido em duas partes: uma volta para a coluna de reciclo e a outra é retirada como álcool de segunda. No fundo da coluna A, é retirada a vinhaça, que é utilizada geralmente como fertilizante através de fertirrigação no canavial; entretanto, existem diversos estudos para um melhor aproveitamento da vinhaça em outras aplicações.

A coluna B é alimentada pelo flegma produzido na coluna A1, sendo que no topo desta coluna o vapor obtido é quase todo condensado nos trocadores de calor (E, E1 e E2) e o álcool hidratado é retirado em uma saída lateral, quase no topo da coluna B, onde é resfriado no trocador J. A coluna B possui cerca de 40 pratos e está localizada sobre a coluna B1, que possui 13. É interessante notar que o vapor extraído do topo da coluna B é utilizado para pré-aquecimento do vinho, que é, posteriormente, aquecido no trocador K, resfriando a vinhaça. No fundo da coluna B1, é obtido a flegmaça, que deve conter teor alcoólico da ordem de 0,02% em massa.

O vapor utilizado na destilaria é fornecido no fundo da coluna A e B, podendo ser por contato direto (via injeção de borbotagem) ou indireto (trocadores de calor). É possível utilizar o vapor vegetal obtido no sistema de evaporação no tratamento de caldo, ou o vapor de escape obtido na saída das turbinas de contrapressão.

3.6.2

Desidratação

No Brasil, os principais métodos de desidratação no setor canavieiro são: destilação azeotrópica com ciclohexano, destilação extrativa com monoetilenoglicol (MEG) e adsorção em peneiras moleculares.

3.6.2.1. Destilação Azeotrópica com ciclo hexano

O processo de destilação azeotrópica com ciclo hexano é a forma mais utilizada nas usinas existentes no Brasil. Inicialmente, esse processo era realizado com benzeno, porém, com a sua proibição em 1997, devido ao seu potencial cancerígeno, as usinas que tinham a infra-estrutura instalada aproveitaram as instalações com o ciclo hexano. É importante destacar que esse processo necessita de um alto consumo de vapor por litro de álcool [MEIRELLES, 2006].

Este processo consiste na formação de uma nova mistura azeotrópica heterogênea com água ou etanol, através da adição de um novo componente. O novo azeótropo formado é retirado no topo ou no fundo da coluna, enquanto um dos componentes da mistura original é obtido puro na outra extremidade da coluna, sendo necessária a utilização de mais uma coluna [BRITO, 1997].

A "4º técnica das usinas de Mélle" é uma otimização deste processo, pois ela utiliza a coluna B para injeção do ciclo hexano reduzindo à terça parte o consumo de vapor. Entretanto, a usina perde a flexibilidade de produzir álcool hidratado e anidro, uma vez que, neste processo, a usina só poderá produzir anidro.

3.6.2.2. Destilação Extrativa

A destilação extrativa consiste na adição de um solvente, glicerina ou (MEG) à mistura azeotrópica inicial, para que ocorra uma alteração na volatilidade relativa dos componentes da mistura e, conseqüentemente, o equilíbrio líquido-vapor dos componentes originais. A recuperação do solvente é realizada pela adição de uma nova coluna.

O solvente utilizado neste processo deve possuir ponto de ebulição superior à mistura etanol-água, pois a adição no topo da coluna arrasta a água, obtendo no topo da coluna o etanol, sendo assim necessária outra coluna de destilação

tradicional para separar o solvente (extraído no fundo da coluna) e a água (topo da coluna).

No Brasil, ainda não existe uma grande quantidade de usinas utilizando essa tecnologia, porém, as novas implantações estão aderindo a essa metodologia devido ao seu baixo consumo de vapor e utilizando como solvente o MEG.

3.6.2.3. Adsorção em Peneiras Moleculares

Este processo consiste na adsorção da água contida no álcool hidratado através da utilização de um leito de zeólitos, que consistem em estruturas tridimensionais de alumínio e silício com elevados graus de ordenação no nível microscópio e superficial. O diâmetro dos zeólitos empregados no processo é de 3 Å, com objetivo de adsorver as moléculas de água que têm diâmetro da ordem de 2,8 Å, separando- a do etanol, de diâmetro de 4,4 Å.

No processo industrial, o álcool hidratado é vaporizado, utilizando-se vapor de aproximadamente 6 bar g de pressão, e enviado para as peneiras moleculares que contêm os zeólitos. Geralmente são constituídos de três leitos, sendo que um está sempre em regeneração (retirada da água acumulada no leito através da aplicação de vácuo). A água obtida é uma mistura hidro-alcoólica que é encaminhada para a unidade de destilação convencional. A figura 3.12 é um fluxograma deste processo.

Essa é uma tecnologia que vem sendo bem aplicada nos novos projetos, pois possui baixo consumo de vapor; porém, o seu inconveniente é que os zeólitos não são produzidos no Brasil [MEIRELLES, 2006].

Figura 3-12 – Fluxograma esquemático do processo de desidratação por peneira molecular [MEIRELLES, 2006].