BR102016019353A2 - Sistema otimizado para produção de etanol com arranjo de destilação - Google Patents

Abstract

sistema otimizado para produção de etanol com arranjo de destilação é a realização de um sistema arranjando equipamentos e fluxos de energias para produzir álcool combustível com uma concentração mínima de etanol de cerca de 90% em peso, com o mínimo de consumo de energia. o objetivo é atingido por acoplamento de duas unidades de destilação em duplo efeito, onde os vapores alcoólicos das colunas retificadoras da primeira unidade aquecem as colunas da segunda unidade. cada unidade de destilação é composta por uma coluna de mosto fermentado, uma coluna retificadora e uma coluna de concentração de produtos de cabeça. as duas unidades são alimentadas em paralelo com o mosto fermentado.

Description

(54) Título: SISTEMA OTIMIZADO PARA PRODUÇÃO DE ETANOL COM ARRANJO DE DESTILAÇÃO (51) Int. Cl.: C07C 29/80 (52) CPC: C07C 29/80 (73) Titular(es): JW INDUSTRIA E COMERCIO DE EQUIPAMENTOS EM AÇO INOXIDÁVEL LTDA (72) Inventor(es): GIANFRANCO MUSSI (74) Procurador(es): PEREIRA ADVOGADOS (57) Resumo: SISTEMA OTIMIZADO PARA PRODUÇÃO DE ETANOL COM ARRANJO DE DESTILAÇÃO é a realização de um sistema arranjando equipamentos e fluxos de energias para produzir álcool combustível com uma concentração mínima de etanol de cerca de 90% em peso, com o mínimo de consumo de energia. O objetivo é atingido por acoplamento de duas unidades de destilação em duplo efeito, onde os vapores alcoólicos das colunas retificadoras da primeira unidade aquecem as colunas da segunda unidade. Cada unidade de destilação é composta por uma coluna de mosto fermentado, uma coluna retificadora e uma coluna de concentração de produtos de cabeça. As duas unidades são alimentadas em paralelo com o mosto fermentado.

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SISTEMA OTIMIZADO PARA PRODUÇÃO DE ETANOL COM ARRANJO DE DESTILAÇÃO

1. CAMPO DA INVENÇÃO

2. A presente invenção se dispõe a apresentar um processo de destilação com integração energética entre duas destilarias objetivando a redução do consumo de energia, vapores proveniente das caldeiras, para a produção de etanol hidratado. Onde pode ser um projeto novo ou até mesmo uma adaptação de projeto existente.

3. FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

4. O etanol de grau combustível, destilado de mosto de grãos, cana-deaçúcar, beterraba sacarina, celulose e outras fontes, tem sido cada vez mais aplicado como combustível alternativo para veículos a motor. O etanol também aumentou em sua popularidade como excelente aditivo da gasolina.

5. Um processo de produção de etanol de grau combustível inclui tipicamente os passos de fermentação, destilação e evaporação. Na fermentação, basicamente é onde se produz o etanol através de leveduras que convertem os açúcares em etanol, e a destilação tem a função de separar e selecionar o etanol para ser utilizado como combustível dentro dos padrões preestabelecidos. De forma geral, o funcionamento básico de uma coluna de destilação consiste em provocar o contato das fases líquida e vapor, esse contado pode ser realizado através de bandejas equipadas com borbulhadores fixos, móveis ou leitos fixos. Os vapores alimentados na coluna, fonte quente, são alimentados na parte inferior da coluna e o líquido no topo, operando em contracorrente. Com o contato entre as fases o vapor cede energia para o líquido que em função das diferenças de ponto de ebulição evapora os mais voláteis, levando para o topo vapores ricos em voláteis desejados, nesse caso, o etanol. Restando na base todos os produtos com maior ponto de ebulição que no caso é água, sólidos solúveis e insolúveis e outros compostos.

6. Para a produção de etanol com qualidade combustível e dentro dos parâmetros estabelecidos pelos órgãos competentes, mais de uma coluna de destilação interligada é tipicamente utilizada para purificar progressivamente o etanol. Num processo típico de destilação de etanol, a coluna de esgotamento,

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2/7 ou Stripper, recebe mosto fermentado e produz um vapor de etanol intermediário. Parte deste vapor é direcionada para uma coluna de concentração de cabeças e outra parte segue para a coluna de retificação. A coluna retificadora recebe o vapor de etanol intermediário da coluna de mosto fermentado e produz cerca de 90% a 95% em peso de vapor de etanol puro. A corrente de líquido rica em etanol da base da coluna de retificação é direcionada para uma coluna que a chamamos de esgotamento ou coluna de Luther, esta tem a função de esgotar essa massa de etanol através de uma energia adicionada em sua base, gerando no topo um vapor rico em etanol que retorna para a retificadora, da base da coluna de Luther, uma corrente quase isenta de etanol é direcionada para outras partes da indústria a fim de ser utilizada para assepsia, ou para estação de tratamento ou lavoura. Por causa das propriedades físicas e químicas de uma solução aquosa de etanol, um processo de destilação comum só pode praticamente produzir uma solução de água e etanol que é até cerca de 95% em peso de etanol e 5% de água. Um sistema de desidratação é utilizado para remover essa pequena parte da água remanescente para produzir o produto graduação alcoólica mais elevada. O desidratador recebe o etanol a 95% e remove quase toda a água remanescente, produzindo etanol com teor de água inferior a 0,25%.

7. O processo de destilação de etanol de grau combustível como o descrito acima produz também coprodutos. A porção de destilação do processo gera a vinhaça subproduto acima mencionado, que é livre de etanol e que contém os restos sólidos não fermentados a partir do processo de fermentação.

8. Os constrangimentos econômicos enfrentados pelo produtor de etanol são grandes já que temos que produzir com o menor custo possível. Por conseguinte, um dos objetos da presente invenção é oferecer um processo para produzir um etanol com o menor custo possível se comparado com os processos atuais.

9. É objetivo do presente invento oferecer um processo para a destilação do etanol utilizando duas ou mais secções de destilação em que uma pode ser retirada de cada linha para manutenção enquanto que a outra continua a operar com a capacidade máxima.

10. É também objetivo do presente invento proporcionar ao processo de destilação do etanol um arranjo que utilize vapor de etanol oriundo da coluna

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3Π retificadora de uma ou mais seções de destilação para aquecer uma ou mais das outras seções de destilação.

11. ESTADO DA TÉCNICA

12. No atual estado da técnica, o processo a que chamamos de convencional recebe a energia na forma de calor proveniente de um sistema gerador de vapor de água, sendo este um sistema de evaporação ou uma caldeira essa energia é transferida para a destilação direta ou indireta. O processo pode ser dividido em três fases. Na primeira fase a energia é inserida na base da primeira coluna na qual chamamos de coluna de esgotamento e no topo entra a matéria prima, esta, em contracorrente com o vapor alimentado na base faz com que se evaporem os compostos mais voláteis para o topo e para base os de maior ponto de ebulição e na fase líquida, saindo o que chamamos de vinhaça ou efluente.

13. Os vapores alcoólicos que saírem no topo da região de esgotamento são direcionados para a segunda etapa do processo que é chamada de região de retificação ou concentração. Esses entram na base da coluna passando pelas bandejas até chegar ao topo, depois são alimentados em um condensador tipo casco e tubo e são condensados, parte desse condensado sai como produto final e parte retorna para o topo da coluna retificadora, como refluxo, concentrando-se no topo.

14. A base desta coluna, que está na fase líquida, é direcionada para a terceira etapa, a região de esgotamento de flegma, também conhecida na literatura como coluna de Luther, semelhante à coluna da primeira etapa do processo, recebe vapor na base que também pode ser alimentado de forma direta ou indireta, para fazer o aquecimento. O líquido que entra no topo desta coluna, em contracorrente com os vapores alimentados na base, faz com que os componentes mais voláteis evaporam-se, gerando no topo um vapor alcoólico que é direcionado para coluna retificadora e se soma aos vapores alcoólicos que vem da primeira etapa.

15. OBJETIVO DA INVENÇÃO

16. Partindo do atual estado da técnica, o invento visa otimizar o uso da energia dos vapores disponíveis nos processos existentes, sem descaracterizar o seu estado atual, este invento pode ser incrementado a processos existentes ou até mesmo nascer com esta melhoria.

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17. Para tanto, a inovação integra uma destilaria que opera em pressão atmosférica, convencional, operando em duplo efeito com uma destilaria totalmente sob vácuo, as fontes energéticas são inseridas nas colunas atmosféricas e o vapores gerados no topo da coluna retificadora, atmosférica, fazem o aquecimento das colunas de esgotamento de vinho e também da coluna de esgotamento de flegma.

18. Os vapores alcoólicos que aquecem a coluna de esgotamento sob vácuo transferem calor para a base de forma indireta, utilizando evaporadores de tubos longos, possibilitando a utilização dos vapores de baixa pressão, o vapor gerado na coluna de esgotamento sob vácuo é inserido na retificadora, também sob vácuo, e o processo de destilação se repetirá, assim como no atual estado da técnica.

19. A região de esgotamento, também será aquecida com os vapores alcoólicos provenientes do topo da coluna B, e o processo de destilação se repetirá assim como no atual estado da técnica.

20. SUMÁRIO DA INVENÇÃO

21. As vantagens deste processo são substanciais por que é possível implementar a um processo já existente, instalando simplesmente a segunda fase da destilação.

22. Em primeiro lugar, e em comparação com uma planta com a mesma capacidade, os consumos de vapor são consideravelmente mais baixos do que uma planta tradicional. Este arranjo objetiva alimentar com vapor da caldeira de vapor apenas as secções do primeiro grupo, enquanto que as colunas do segundo grupo são aquecidas por condensação dos vapores alcoólicos provenientes das colunas do retificador do primeiro grupo.

23. Em segundo lugar, quando se considera o remodelamento de instalações existentes, a produção de etanol pode ser aumentada e o consumo de vapor especifico reduzido.

24. A economia de energia decorrente do arranjo do processo descrito acima proporciona vantagens econômicas significativas. A economia de energia na destilação de etanol de qualidade combustível, proporcionada pela presente invenção agrega um valor significativo na indústria crescente.

25. BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

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26. A invenção e as suas muitas vantagens e objetos concomitantes serão melhor compreendidos após a leitura da seguinte descrição da forma de realização preferida em conjugação com os seguintes desenhos, em que: 27. FIGURA 1 é um diagrama de processo que mostra a disposição do presente processo que fornece uma visão geral do arranjo no processo de destilação. O invento inclui uma ou mais secções de destilação (seção 100) que trabalham em diferentes condições de pressão e são aquecidos por vapor, e uma ou mais secções de destilação (seção 200) que trabalham em condições de pressão menor do que a secção (100) e são aquecidos pelos vapores de cabeça da retificadora de colunas de secções (100).

28. DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

29. A mistura contendo etanol conhecida como mosto fermentado é produzida na secção de fermentação (não incluída no âmbito da presente invenção). Este mosto fermentado é a matéria-prima de todas as secções de destilação (100 e 200).

30. A Seção de destilação (100) mostrada inclui uma coluna de esgotamento de mosto fermentado (101), uma coluna de concentração de produtos de cabeça (102), uma coluna retificadora (103) e uma coluna de esgotamento de flegma (104). A coluna de esgotamento de flegma pode ser montada de diferentes formas, inclusive sob a coluna retificadora (103).

31. A coluna de esgotamento de mosto fermentado (101) recebe mosto fermentado com uma concentração de etanol baixa. O vapor alimentado proporciona calor para ferver o etanol a partir do mosto fermentado da coluna de esgotamento de mosto fermentado (101). Este vapor condensa no interior da planta de um ou mais refervedores da coluna de mosto fermentado (101), ou pode ser misturado diretamente com a mosto fermentado, uma vez que ela desce através da coluna de mosto fermentado (101).

32. O vapor de etanol gerado que deixa a coluna de esgotamento de mosto fermentado (101) se encontra entre 30 e 60% em peso de etanol.

33. Uma parte do vapor de etanol que vai para as cabeças é utilizado para remover gases não-condensáveis dissolvidos no mosto fermentado alimentado à coluna de esgotamento de mosto fermentado (101), assim, ao deixar a coluna (101) e ir para a coluna de concentração de produto de cabeça (102) onde estão os produtos de cabeça, tais gases, como acetaldeído, metil de etilo,

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6/7 acetato de etilo e os concentrados de metanol são removidos. O produto de fundo da coluna de concentração de cabeça (102) é enviado para a coluna retificadora (103).

34. A parte restante do vapor de etanol gerado, que deixa a coluna de esgotamento de mosto fermentado (101), entra na coluna retificadora (103) onde está o vapor de etanol tendo como concentração mais elevada de etanol (cerca de 90% a 95% em peso), que pode ser condensado de forma indireta através de um condensador casco e tubo (105), assim, pode ser recolhido no tanque (106) e refluxado de volta para o topo da coluna (103), ou pode ser enviado para uma ou mais das secções (200).

35. A corrente de fundo da coluna retificadora (103), que têm uma concentração de etanol entre 5% e 30% em peso, é enviada a uma coluna de remoção lateral (104), a qual produz uma segunda corrente de vapor com uma concentração de etanol entre 30% e 65% em peso que circula de volta para coluna retificadora (103) para uma maior retificação. A coluna de remoção lateral (104) é aquecida por vapor vegetal que condensa dentro de um ou mais refervedores, ou pode ser misturado diretamente com o líquido que desce através da coluna de remoção lateral (104). A corrente de fundo da coluna de remoção lateral (104) é composta, na sua maioria, de água quente e é enviada para fora do processo, onde pode ser utilizada para fazer assepsia de outras partes do processo ou até mesmo somar à vinhaça da coluna (101).

36. A seção de destilação (200) inclui uma coluna de esgotamento de mosto fermentado (201), uma coluna de concentração de produtos de cabeça (202), uma retificadora (203) e uma coluna de esgotamento de flegma (204). A coluna de esgotamento de mosto fermentado (201) recebe mosto fermentado.

37. O calor para evaporar o etanol a partir do mosto fermentado na coluna de esgotamento de mosto fermentado (201) pode ser fornecido, tanto de fontes gerais de vapor de etanol vindas da coluna retificadora (103) da seção de destilação (100), como da planta de vapor. Ambos, vapor de água e vapor de etanol de sobrecarga, condensam-se dentro de um ou mais refervedores da coluna de esgotamento de mosto fermentado (201). É também possível misturar diretamente vapor com o mosto fermentado quando ele desce através da coluna de mosto fermentado (201).

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38. O vapor de etanol gerado que deixa a coluna de esgotamento de mosto fermentado (201) se encontra entre 30 e 60% em peso de etanol.

39. Uma parte do vapor de etanol que vai para a cabeças é utilizado para remover gases não-condensáveis dissolvidos na mosto fermentado alimentado à coluna de esgotamento de mosto fermentado (201), assim, ao deixar a coluna (201) e ir para a coluna de concentração de produto de cabeça (202) tais gases, como acetaldeído, metil de etilo, acetato de etilo e os concentrados de metanol são removidos. O produto de fundo da coluna de concentração de cabeça (202) é enviado para a coluna retificadora (203).

40. A parte restante do vapor de etanol gerado que deixa a coluna de esgotamento de mosto fermentado (201) entra na coluna retificadora (203), onde o vapor de etanol tendo uma concentração mais elevada de etanol é gerado como um vapor geral.

41. Quando na coluna retificadora da seção de destilação (100) e na coluna de remoção lateral da seção de destilação (200), os vapores de etanol, em estado líquido, são enviados de volta para os respectivos tanques (106), a partir do qual o líquido é submetido a refluxo, de volta para a coluna retificadora (103). É também possível enviar os vapores de etanol, condensados, diretamente para a respectiva coluna retificadora (103), como parte do refluxo.

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Claims (10)

1. REIVINDICAÇÕES:

   1. SISTEMA OTIMIZADO PARA PRODUÇÃO DE ETANOL COM ARRANJO DE DESTILAÇÃO compreendendo duas seções de destilação, caracterizado por ser constituído por um primeiro grupo de destilação composto por uma ou mais seções de destilação que funcionam sob diferentes condições de pressão e aquecidas com vapor (seções 100), compreendendo uma coluna de mosto fermentado, uma coluna de concentração de produtos de cabeça, uma coluna retificadora e um extrator lateral e um segundo grupo de destilação constituído por uma ou mais seções de destilação de etanol que é aquecido por sobrecarga de vapor e funciona sob diferentes condições de pressão; ele pode também ser aquecido por vapor vegetal.
2. 2. SISTEMA OTIMIZADO PARA PRODUÇÃO DE ETANOL COM ARRANJO DE DESTILAÇÃO com coluna de mosto fermentado, conforme reivindicação 01, caracterizado por ter uma entrada para receber mosto fermentado e por ter a coluna de mosto fermentado e a coluna retificadora conectadas entre si por tubulação de vapor.
3. 3. SISTEMA OTIMIZADO PARA PRODUÇÃO DE ETANOL COM ARRANJO DE DESTILAÇÃO com coluna de mosto fermentado, conforme reivindicação 01, caracterizado por enviar uma pequena porção de vapor alcoólico para a coluna de concentração de produtos de cabeça.
4. 4. SISTEMA OTIMIZADO PARA PRODUÇÃO DE ETANOL COM ARRANJO DE DESTILAÇÃO com coluna retificadora, conforme reivindicação 01, caracterizado por estar ligada a uma coluna de esgotamento de flegma através de uma linha para o transporte de corrente de fundos do retificador de líquidos.
5. 5. SISTEMA OTIMIZADO PARA PRODUÇÃO DE ETANOL COM ARRANJO DE DESTILAÇÃO com um extrator lateral, conforme reivindicação 01, caracterizado por ter uma saída para a descarga de fundo que é removida a partir da seção de destilação e ligado à coluna retificadora por uma linha de transmissão de vapores de etanol.
6. 6. SISTEMA OTIMIZADO PARA PRODUÇÃO DE ETANOL COM ARRANJO DE DESTILAÇÃO com uma coluna retificadora com conjunto de

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   2/2 trocadores de calor, conforme reivindicação 01, caracterizado por conduzir calor para os refervedores relacionados com as bases das colunas de segundo efeito.
7. 7. SISTEMA OTIMIZADO PARA PRODUÇÃO DE ETANOL COM ARRANJO DE DESTILAÇÃO, conforme reivindicação 01, caracterizado por transferir energia calorífica a partir da primeira seção de destilação para a segunda através de um fluxo de calor recuperado dos vapores.
8. 8. SISTEMA OTIMIZADO PARA PRODUÇÃO DE ETANOL COM ARRANJO DE DESTILAÇÃO, conforme reivindicação 01, caracterizado por ter um fluxo de vapores condensados na segunda seção de destilação bombeado de volta para as colunas retificadoras da primeira seção de destilação para construir o refluxo das colunas.
9. 9. SISTEMA OTIMIZADO PARA PRODUÇÃO DE ETANOL COM ARRANJO DE DESTILAÇÃO com um segundo grupo de destilação (200) com duas ou mais seções de destilação, conforme reivindicação 01, caracterizado por trabalhar com essas seções em condições de pressão menores do que as da seção (100) e aquecidas pelo vapor de sobrecarga da coluna retificadora da seção (100).
10. 10. SISTEMA OTIMIZADO PARA PRODUÇÃO DE ETANOL COM ARRANJO DE DESTILAÇÃO, conforme reivindicação 01, caracterizado por poder dispor as duas seções de destilação em duplo efeito ou cada uma delas separadamente, alimentadas por planta de vapor.

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    DESENHOS

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