Separação de solventes

A separação de solventes é o processo de recuperação de biobutanol. Já que no processo de fermentação são produzidos acetona, etanol e butanol, em solução com outros componentes, é necessário separar-lhes para obter o biobutanol concentrado. O processo de separação dos solventes vai ser simulado pela destilação do licor fermentado ABE. Este processo utiliza 5 colunas de separação: a primeira é a coluna de esgotamento do licor que separa os solventes da vinhaça, a segunda coluna separa a acetona da solução, a terceira coluna separa o etanol (MARIANO et al., 2011) e as duas últimas colunas separam o sistema binário biobutanol/água (LUYBEN, CHIEN, 2010).

114 A primeira coluna de esgotamento recebe a corrente de licor ABE do processo de concentração com uma concentração de 16,77 g/L de solventes para ser separados. O licor concentrado na entrada desta coluna é resfriado até 68°C no trocador de calor E-117. Esta coluna opera com 45 pratos e pressão atmosférica. Esta coluna é responsável pela separação no topo da solução alcóolica de solventes ABE. A vinhaça retirada no fundo da coluna a uma temperatura de 100ºC, está formada pela solução em água dos ácidos orgânicos e açúcares excedentes.

A solução alcóolica no topo da coluna a temperatura de 92,5ºC é resfriada até 65ºC no trocador de calor E-104 antes de entrar na coluna de separação de acetona. A separação da acetona utiliza uma coluna que opera com 30 pratos, a pressão atmosférica com alimentação da solução alcóolica no topo da coluna. Na parte superior da coluna são extraídos 1.880 kg/h de solução de acetona em concentração de 80% a temperatura de 27ºC. A separação de acetona é feita em baixa temperatura, com a compressão até 5 bar para aumentar a temperatura até 105ºC, com o propósito de separar os condensados de acetona num tanque de separação de fases com resfriamento até 10ºC. Os gases separados no topo do tanque de separação ricos em CO2 são

reciclados a coluna de absorção na fermentação (MARIANO et al., 2011).

O produto condensado no fundo da coluna de acetona é a solução de etanol/butanol a uma temperatura de 90ºC. Esta solução é resfriada até 75ºC no trocador de calor E-108 antes da entrada no topo da coluna de separação de etanol. A operação da coluna é simulada com 30 pratos a uma pressão de 0,3 bar. No topo da coluna são retirados 580 kg/h de etanol hidratado a uma concentração de 75% e uma temperatura de 55ºC. A separação de etanol é feita com a expansão adicional do etanol até pressão atmosférica seguido da condensação em tanque de separação de fases. Os gases separados no topo deste tanque de separação ricos em CO2 são

reciclados a coluna de absorção na fermentação (MARIANO et al., 2011).

A Figura 43 apresenta o esquema da simulação do sistema de destilação do licor ABE concentrado nas primeiras três colunas: de esgotamento, de acetona e etanol.

115 Figura 43 - Esquema da primeira parte de destilação ABE, coluna de esgotamento, coluna de

acetona e coluna de etanol no Hysys.

O produto condensado no fundo da coluna de etanol é a solução de butanol, a uma temperatura de 63ºC. A modelagem da destilação do sistema binário biobutanol/água está baseada no sistema recomendado por Luyben e Chien (2010). Este sistema utiliza um Decantador que recebe o condensado da coluna de etanol e fornece uma solução homogeneizada a temperatura de 89,5°C para as duas colunas do sistema (Figura 43). A operação da coluna de butanol é simulada com 10 pratos operando a pressão atmosférica. O produto condensado no fundo da coluna é o butanol com a produção de 6,93 t/h com uma concentração de 99% e temperatura de 117,6ºC. No topo da coluna é retirada uma solução de butanol de baixa concentração para ser reciclado ao decantador.

116 A operação da coluna de água no sistema de Luyben e Chien (2010) é simulada com 10 pratos e pressão atmosférica. O produto condensado no fundo da coluna é água com uma taxa de produção de 18,83 t/h em concentração de 99% e temperatura de 100°C. No fim, o produto com baixa concentração de butanol no topo desta coluna é misturado com a corrente retirada no topo da coluna de butanol para ser resfriado até 85,6ºC e reciclado ao decantador.

A Figura 44 apresenta o esquema da simulação do sistema de destilação com duas colunas e decantador pela separação do sistema binário butanol/água.

Figura 44 - Esquema de destilação do sistema binário biobutanol/água no Hysys.

A Tabela 30 apresenta os principais parâmetros adotados pela simulação do sistema de destilação do licor ABE concentrado, incluindo as 5 colunas utilizadas: coluna de esgotamento, coluna de acetona, coluna de etanol, e colunas de butanol/agua.

117 Tabela 30 - Condições de operação da destilação de biobutanol.

CARACTERISTICAS OPERACIONAIS Condições Referência

DESTILAÇÃO

Coluna Esgotamento

Número de pratos/prato de entrada 45/topo

(MARIANO et al., 2011) Concentração de solvente ABE 16,77 g/L

Temperatura no topo 92,5ºC

Temperatura no fundo 100ºC

Pressão na coluna 1,01 bar

Taxa de produção da solução

alcóolica no topo da coluna 37,5 t/h

Coluna Acetona

Temperatura na entrada 65ºC

(MARIANO et al., 2011) Número de pratos/prato de entrada 30/topo

Temperatura no topo 27ºC

Temperatura no fundo 90ºC

Pressão na coluna 1,01 bar

Taxa de produção de acetona no

topo da coluna 1,88 t/h

Coluna Etanol

Temperatura na entrada 75ºC

(MARIANO et al., 2011) Número de pratos/prato de entrada 30/topo

Temperatura no topo 55ºC

Temperatura no fundo 63,5ºC

Pressão na coluna 0,30 bar

Taxa de produção de etanol no

topo da coluna 0,58 t/h Coluna Água Temperatura na entrada 89,4ºC (MARIANO et al., 2011) (LUYBEN, CHIEN, 2010). Número de pratos/prato de entrada 10/topo

Temperatura no topo 92,8ºC

Temperatura no fundo 100ºC

Pressão na coluna 1,01 bar

Taxa de produção de água no

fundo da coluna 18,83 t/h Coluna Butanol Temperatura na entrada 89,4ºC (MARIANO et al., 2011) (LUYBEN, CHIEN, 2010). Número de pratos/prato de entrada 10/topo

Temperatura no topo 92,8ºC

Temperatura no fundo 117,6ºC

Pressão na coluna 1,01 bar

Taxa de produção de biobutanol no

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