SIMULACIÓN APLICADA AL DISEÑO DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN PARA LA PRODUCCIÓN DE BRANDY

Monesterolo, Vanina, Beltrán, Romina, Paiva, Federico

GISIQ (Grupo de Investigación en Simulación para Ingeniería Química.) Facultad Regional Villa María. UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL

Av. Universidad 450 (X5900HLR) Villa María, Córdoba, Argentina. Tel. 0353-4537500.

gisiq@fvrm.utn.edu.ar, rvgisiq@yahoo.com.ar, Palabras Clave: Brandy, simulación, destilación continua, diseño, análisis de sensibilidad. RESUMEN El Brandy es una bebida alcohólica obtenida a partir de la destilación vínica, éste puede ser añejado en barriles de roble u otras maderas, las cuales le proporcionan características específicas. Previo a ello la solución acuosa producto de fermentación debe destilarse hasta alcanzar una concentración final de etanol no menor al 39% v/v, agua y en una menor proporción congéneres tales como alcoholes, esteres, aldehídos e impurezas varias. Este estudio tiene por objetivo el diseño de una columna de destilación continua apropiada para obtener un producto que alcance las especificaciones requeridas por la legislación vigente. Se prevé efectuar el desarrollo de la misma mediante el empleo de un simulador comercial específico como CHEMCAD 5.3TM. Para ello se procederá a la implementación de un modelo mediante aplicación del módulo de diseño SHORCUT disponible en el mismo. Concluida la fase de diseño los resultados se compararán frente a los obtenidos por resolución mediante métodos clásicos presentados en la literatura. Finalmente se evaluarán las condiciones operativas de la columna diseñada mediante el empleo de los módulos SCDS y/o TOWER, a efectos de constatar teóricamente las bondades que presentaría la columna propuesta. Se estima concluir este estudio con el desarrollo de un análisis de sensibilidad de operación frente a las principales variables de proceso.

1. INTRODUCCIÓN Las bebidas alcohólicas destiladas son obtenidas por la destilación de mostos fermentados preparados con diferentes cereales o jugos de frutas azucarados. Según la normativa vigente, se define a las anteriores como aguardientes naturales comprendidas entre los 39 y 65 ºGL, obtenidas por destilación y/o redestilación, por cortes entre si o por hidratación. Dentro de esta clasificación se encuentra el brandy, el cual es producto de la destilación de un mosto de uvas frescas, sanas y limpias. Es inherente, debido a las características de la fermentación, que el mismo posea cierta cantidad de sustancias adicionales, que le confieren su aroma y sabor. Algunas de estas sustancias son perjudiciales para la salud, es por esto, que no deben excederse los límites especificados por las normas nacionales e internacionales. En el presente estudio, se partirá de la composición de un vino típico, con el objetivo de diseñar el sistema de operación necesario para lograr un aguardiente conforme a lo descrito anteriormente. Para este desarrollo se utilizará el software CHEMCAD 5.3.8.™. El mismo posee un modulo, SHORCUT, que permite el diseño de la torre, en base a los parámetros de operación establecidos. Posteriormente, se verificará el comportamiento de la misma, aplicando el módulo SCDS y/o TOWER, del mencionado software. Finalmente, se realizará un análisis de sensibilidad evaluando la variación de las composiciones y masas de producto en función de la temperatura y caudal de la corriente de entrada.

2. DESARROLLO Se comenzó por realizar el diseño de una columna de destilación para un proceso continuo, cuyo producto es la obtención del Brandy, (composición alcohólica 35 – 54 ºGL). Para esto se utilizó el módulo de diseño SHORCUT. Esta herramienta nos permite estimar los parámetros estructurales de la columna a partir de los datos de la corriente de entrada, las especificaciones del producto final y las condiciones con las que se operará el equipo. La composición de la corriente de alimentación, se detalla en la tabla 1, esta constituye un mosto modelo para la destilación vínica(6). La misma ingresa al sistema con temperatura de 25 ºC y presión de 1atm. Tabla 1. Composición de alimentación.

Componente Alimentación ( % p/p) Etanol 13,00 Agua 86,99 Acetaldehído 1,4x10-5

Acetato de Etilo 2,8x10-5

Metanol 1,5 x10-5

N-Propanol 1,8 x10-5

Isobutanol 2,5 x10-5

El sistema está compuesto por una columna de destilación, con condensador total que opera en forma continua. Se ha implementado un intercambiador de calor, a través del cual la alimentación del sistema es precalentada por la corriente de residuo. Obteniéndose una recuperación energética y por consiguiente una disminución de los costos. El diagrama de proceso se representa en la fig. Nº 1.

Las especificaciones requeridas por el software para la simulación son: la relación de reflujo y la proporción de etanol y agua requerida en el producto deseado. Con éstas, se obtuvieron las características estructurales que debe tener la torre, para su correcto funcionamiento. Los parámetros referentes al equipo a los que se arribó son los que se detallan en la tabla Nº 2. Tabla Nº 2. Parámetros de diseño obtenidos.

Parámetro Resultados Nº de Platos 10 Nº de etapas mín. 6 Plato de alim. 2

Energía sumin. (kcal/hr) 215900 Energía Cond. (kcal/hr) -193534 Reflujo mín. 1 x10-5

Fig. Nº 1 Diagrama de flujo del proceso

Nº Equipo 1 Destilador 2 Int. de Calor

Nº Corriente 1 Alimentación 2 Prod. Destil. 3 Ingreso int. de calor 4 Alim. Precalentada 5 Prod. De fondo frío

Concluida la fase de diseño, se procedió a verificar el funcionamiento de la misma, por medio del módulo SCDS, del mencionado software. La alimentación al sistema está constituida por el mosto anteriormente detallado y los parámetros operacionales obtenidos en la etapa precedente. Los resultados obtenidos concuerdan con los propuestos para el diseño, constatando su aplicación para la obtención del producto deseado. A modo informativo, se describen en la tabla Nº 3 la composición de la bebida alcohólica destilada, destacando que la misma cumple con las especificaciones nacionales e internacionales requeridas para su comercialización y expendio.

Tabla Nº 3 Composición del Brandy Componente Concentración (% p/p)

Etanol 53,00 Agua 46,955 Acetaldehído 7,4x10-3

Acetato de Etilo 0,0135 Metanol 5,6 x10-3

N-Propanol 8,8 x10-3

Isobutanol 0,0105 Posteriormente se procedió a realizar un análisis de sensibilidad, para estudiar la influencia que ejercen el caudal y la temperatura de la alimentación sobre la composición y masa del brandy alcanzado. Se observa que por medio de un incremento en el caudal de alimentación aumenta proporcionalmente la masa de producto, manteniendo constante su composición. En la Figura Nº 2 se representa la variación del caudal de ingreso frente a la fracción molar y al caudal de etanol (kmol/h) de destilado. Por otra parte, con un aumento en la temperatura y en la presión de la corriente que ingresa a la columna, no se observan cambios en la proporción de etanol y agua, produciéndose un incremento de su masa solamente con la primera.

Fracción Molar Destilado

Caudal de alimentación

Fig Nº 2. Caudal de alimentación vs. fracción molar del destilado y Caudal de alimentación Vs. Kmol/h de etanol en el destilado

3. CONCLUSIONES En base al análisis realizado se llegó a las siguientes conclusiones:

• Es posible aplicar la simulación al diseño de una columna de destilación continua para la producción de brandy conforme a las especificaciones.

• Se puede lograr la reducción en los costos energéticos de operación por medio de una integración energética, utilizando un intercambiador de calor que aprovecha el calor de la corriente de desecho para precalentar la masa que ingresa al sistema.

• Por medio de la verificación se pudo comprobar las bondades del módulo de diseño.

• A través del análisis de sensibilidad se estableció que, la variación de la presión en la corriente de alimentación no produce efectos significativos en el proceso, mientras que los incrementos de temperatura y caudal de entrada, ejercen una influencia sobre la masa obtenida pero no en su composición.

4. REFERENCIAS

1. L. A. Toselli. (2002). Tesis de Maestría en Tecnología de los Alimentos. UTN FRVM. Obtención de etanol por procesos fermentativos. Tratamientos de corrientes “downstream” Cap. 7.

2. Ahmad, Berit Sagli, Synthesis of Batch Processes with Integrated Solvent Recovery, Massachusetts Institute of Tecnology 1997.

3. John. E, Murtagh, The Alcohol Alphabe. (Glossary of Terms Used in The Etanol-Producing Industries).(2001)

4. Chemstations Inc, The User Guide Chemcad 5.3. Houston, Texas 77042, U.S.A. 5. Daniel Osorio, Ricardo Perez-Correa , Andrea Belancic, Eduardo Agosin. Rigorous dynamic

modeling and simulation of wine distillations.. November 2002. 6. José O. Valderrama, Clotilde Pizarro, Roberto Rojas. Equilibrio líquido vapor en mezclas

complejas para la simulación de la destilación de mostos y vinos. Revista Alimentaría de Tecnología e Higiene de los Alimentos. España, 2002.