BR112014005462B1

BR112014005462B1 - instalação para separação de concentração de um componente líquido a partir de uma mistura líquida de multicomponentes compreendendo vários componentes líquidos com diferentes temperaturas de ebulição, em particular, uma mistura de etanol-água ou uma mistura de isopropanol-água

Info

Publication number: BR112014005462B1
Application number: BR112014005462-2A
Authority: BR
Inventors: Eckard Maedebach; Frank Kinner
Original assignee: Gea Wiegand Gmbh
Priority date: 2011-09-12
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2021-03-02
Also published as: EP2755728A1; WO2013037712A1; US10022648B2; DE102011082513A1; ES2606580T3; EP2755728B1; DK2755728T3; BR112014005462A2; US20140339069A1

Abstract

SISTEMA PARA SEPARAÇÃO E CONCENTRAÇÃO DE UM COMPONENTE LÍQUIDO A PARTIR DE UMA MISTURA LÍQUIDA DE MULTICOMPONENTES, ABRANGENDO UMA BOMBA TÉRMICA. A presente invenção tem como objetivo separar e concentrar um componente líquido de uma mistura de multicomponentes líquida, formada com temperaturas de ebulição diferenciadas, abrangendo, por exemplo, uma mistura de etanol-água e um aparelho de concentração (3) é proposto que o seu componente de impulsão e o componente de reforço sejam conformados como colunas (5, 7) reciprocamente separadas com necessidades de energia de serviço de intensidade variável. A coluna (7) com necessidade energética operacional mais elevada está conformada para um diferencial de temperatura menor entre a temperatura de ebulição do seu topo de coluna (29) e a temperatura de ebulição de sua base de coluna (21), como ocorre com a coluna (5) com necessidades energéticas de serviço menores. São alocados para as duas colunas (5, 7) concentradores de vapores (15, 27) mecânicos separados que concentram os vapores de exaustão de topo da coluna alocada (5, 7), conduzindo a temperatura de serviço sobre evaporadores de bacia (9, 23), separados e servindo de refervedor para a área de base (11, 21) da respectiva coluna (5, 7).

Description

DESCRIÇÃO

[0001] A presente invenção se refere a uma instalação para separação e concentração de um componente líquido a partir de uma mistura líquida de multicomponentes, formada de vários componentes líquidos com temperaturas de ebulição diferenciadas. Especialmente, a invenção abrange uma instalação de retificação.

[0002] Instalações de destilação permitem separar um componente líquido de uma mistura líquida de multicomponentes e realizar a sua concentração, desde que a mistura de multicomponentes consista de vários componentes líquidos com temperaturas de ebulição suficientemente diferenciadas. Exemplos neste caso são misturas de etanol-água ou misturas isopropanol-água a partir das quais o álcool é separado e simultaneamente - referido a concentração de álcool da mistura - poderá ser concentrada, ou seja, reforçado. O reforço poderá ser realizado com uma retificação, isto é uma purificação do álcool reforçado.

[0003] Comparado com a expulsão doe álcool bruto de pasta fermentada, isto é, fermentada e, portanto, contendo álcool em uma primeira coluna de destilação, a concentração do álcool por destilação repetida requer notavelmente maior emprego de energia. O saldo energético das aparelhagens de concentração, ou seja, de retificação da instalação de destilação precisa, portanto, receber consideração especial. Comumente, a energia operacional será fornecida ao aparelho de concentração na forma de vapor fresco. É comum reduzir o consumo de energia da instalação de destilação pela recuperação da energia térmica dos vapores da parte do topo do aparelho de concentração. Assim, é conhecido concentrar os vapores de topo de uma coluna de destilação com o auxílio de um concentrador de vapores mecânico a tal ponto que o conteúdo de energia dos vapores concentrados é suficiente para aquecer um refervedor da coluna de destilação. Na retificação do etanol a partir de uma mistura de etanol- água, diferenciam-se comparadamente de modo acentuado a temperaturas de ebulição dos componentes individuais. Enquanto que a temperatura de ebulição de etanol está situada ao redor de aproximadamente 78°C, a temperatura de ebulição de água de 100°C. Na recuperação e reciclagem de energia operacional a partir dos vapores de topo da coluna retificadora por meio de um compressor de vapor mecânico, esta elevada diferença de temperatura requer uma relação de concentração muito elevada do concentrador dos vapores e correspondentemente implica em elevado consumo de energia elétrica.

[0004] A partir do documento WO2008/135192 A1 passou a ser conhecido uma instalação retificador de álcool no qual o álcool bruto fornecido para uma primeira coluna de destilação, de uma única coluna retificadora, é aduzido. O condensador de topo da coluna retificadora serve ao mesmo tempo para o aquecimento do álcool bruto e em um primeiro separador de distensão gera vapor, o qual, através de um primeiro concentrador mecânico, será fornecido para uma seção de retificação da coluna retificadora. Em um segundo separador de distensão, que fornece o álcool retificado, será separado o vapor do álcool, o qual, através de um segundo concentrador mecânico, aquece um refervedor que está unido com a seção de fundo da coluna retificadora. Desta maneira, consegue-se recuperar uma parcela maior da energia a ser oferecida para a operação da coluna retificadora.

[0005] Constitui objetivo da invenção, apontar um caminho como a economia de energia de uma instalação para separação e concentração de um componente líquido de multicomponentes líquidos pode ser adicionalmente reduzida, especialmente otimizado.

[0006] A invenção baseia-se em uma instalação para separação e concentração de um componente líquido a partir de uma mistura de multicomponentes líquidos com temperaturas de ebulição diferenciadas, sendo que a instalação abrange um aparelho de concentração com uma seção de esgotamento e uma seção de retificação, um segundo compressor de vapor mecânico que fornece energia operacional para a seção de retificação.

[0007] A instalação de acordo com a invenção se caracteriza pelo fato de que a seção de esgotamento e a seção de retificação são conformadas como colunas reciprocamente separadas com necessidades energéticas operacionais de extensão variável, sendo que a coluna com a maior necessidade de energia operacional será conformada para um diferencial de temperatura menor entre a temperatura de ebulição do seu topo de coluna e a temperatura de ebulição de sua base de coluna do que ocorre com relação à coluna como menor necessidade de energia operacional, sendo que o primeiro compressor de vapor mecânico concentra vapores de topo da coluna de esgotamento, fornecendo a energia operacional apara a seção de fundo da coluna de esgotamento através de um primeiro evaporador de reservatório que serve como refervedor, sendo que o segundo compressor de vapor mecânico concentra os vapores da parte do topo da coluna da seção de retificação, fornecendo a energia operacional para a seção de fundo da coluna de seção de retificação através de um segundo evaporador de reservatório que serve de refervedor, sendo que a mistura de multicomponentes e o produto de vapores e/ou condensado energeticamente processado no primeiro evaporador de reservatório poderá ser fornecido à coluna da seção de retificação como material aduzido.

[0008] Com um aparelho de concentração desta espécie, que eventualmente constitui um aparelho retificador, a coluna da seção de esgotamento e a coluna da seção de retificação podem ser reciprocamente configuradas em dimensões diferenciadas tanto levando em conta o diferencial de temperatura entre a temperatura de ebulição de topo e a temperatura de ebulição de base, como também relativamente às necessidades energéticas. A coluna com a necessidade energética termodinâmica mais elevada poderá receber um diferencial de temperatura baixo, ao passo que a coluna com a necessidade energética menor será dimensionada para um diferencial de temperatura maior. Para tanto, ambas as colunas serão aquecidas através de concentradores mecânicos de vapores e evaporadores de reservatório. O concentrador de vapores mecânico, dimensionado para o diferencial de temperatura menor, poderá ser configurado para um grau de concentração menor do que o concentrador que aquece a coluna com o maior diferencial de temperatura. O grau de concentração menor permite operar como otimização de custos, até mesmo com necessidades energéticas termodinâmicas maiores, ou concentrador de vapores mecânico. Uma situação correspondente aplica-se ao compressor de vapor mecânico da coluna dimensionada para diferencial de temperatura mais elevado, porque aqui o concentrador de vapores poderá oferecer o grau de concentração mais alto com menor necessidade energética termodinâmica. Preferencialmente a coluna da seção de retificação é dimensionada para a necessidade maior de energia.

[0009] Comparado com os aparelhos concentradores convencionais, providos apenas de uma única coluna e de um compressor de vapor mecânico, om a instalação de acordo com a invenção, na retificação de uma mistura de isopropanol-água pode ser poupado até 50% da necessidade de energia elétrica para a concentração dos vapores. No caso de uma mistura de etanol-água a economia de energia elétrica é até 40%.

[00010] A instalação de acordo com a invenção adapta-se não somente para concentrar etanol de uma mistura de etanol-água ou de isopropanol de uma mistura de isopropanol-água, porém, adapta-se para todas as misturas de solventes, nos quais, em consequência da concentração, está presente uma grande diferença entre a temperatura de ebulição na bacia da coluna, ou seja, na base da coluna, e a temperatura de condensação do produto no topo da coluna de concentração. De uma maneira geral, a instalação poderá ser empregado, de uma maneira geral, para a separação por meio de destilação de misturas líquidas de multicomponentes. As economias que podem ser obtidas em energia elétrica dependem também aqui do diferencial de temperatura resultante da concentração e das exigências de energia térmica na coluna de esgotamento, ou seja, na coluna de reforço.

[00011] Compreende-se que no caso de aparelhagens de concentração em vários estágios, cada um dos estágios pode ser formado por colunas separadas para a seção de esgotamento e para a seção de retificação, com alimentação de energia separada através de concentradores mecânicos de vapores. O corte de concentração entre a coluna da seção de esgotamento e da respectiva coluna da seção de retificação alocada poderá ser escolhido de modo diferenciado, da mesma maneira como também podem ser escolhidos relações de reciclagem diferenciadas entre a coluna da seção de retificação e a coluna da seção de esgotamento.

[00012] A instalação de acordo com a invenção permite não somente a separação de misturas de multicomponentes nos quais o componente de ebulição fácil está presente em uma diluição menor na mistura, porém, permite também a separação de um componente de ebulição pesada que está presente em diluição menor na mistura, com a simultânea presença de uma diferença de temperatura grande, resultante da concentração, entre a parte do topo da coluna e a parte da bacia da coluna. Estas misturas podem convencionalmente ser separadas somente com aplicação de energia térmica relativamente elevada, porque uma grande parte da mistura terá de ser deslocada sobre o topo da coluna. Neste caso, não é atraente o emprego de um compressor de vapor mecânico em virtude da relação de concentração então elevada nas usinas convencionais. No contexto da presente invenção a necessidade de energia térmica também aqui pode ser consideravelmente reduzida.

[00013] Para poder adequar reciprocamente de uma maneira melhor a coluna de esgotamento e a coluna de reforço, a mistura de multicomponentes e/ou o produto de vapores e/ou de condensado energeticamente processado no primeiro evaporador de reservatório, será preferencialmente fornecido à seção de fundo da coluna de reforço.

[00014] O balanço energético geral da instalação poderá ser reduzido quando o produto em forma de vapores e/ou condensado, processados energeticamente no segundo evaporador de reservatório, aquecer um trocador de calor de ação condensadora que aquece a mistura de multicomponentes alimentada, realizando a condensação do componente de líquido concentrado. Uma vantagem correspondente poderá ser obtida quando um componente de líquido residual da mistura de multicomponentes remanescente após a separação do componente de líquido a ser concentrado, mistura esta que incide na área da base da coluna da seção de esgotamento, aquece através de um trocador de calor a mistura de multicomponentes que está sendo alimentada.

[00015] Convenientemente, o primeiro evaporador de reservatório e o segundo evaporador de reservatório estão unidos através de círculos de circulação forçada com a seção de fundo da coluna da seção de esgotamento, ou seja, com a área da base da coluna da seção de retificação. Isto facilita o controle das duas colunas.

[00016] A coluna da seção de esgotamento recebe a sua alimentação através de uma linha de alimentação da seção de fundo da coluna de seção de retificação, especialmente através de um circuito de circulação forçada do evaporador de reservatório da coluna da seção de retificação.

[00017] Em seguida, a invenção será explicada mais detalhadamente com base em um desenho. O desenho apresenta um diagrama de bloco esquemático de uma instalação de retificação para a separação e concentração de um componente de álcool, especialmente etanol ou isopropanol a partir de uma mistura líquida de álcool-água.

[00018] A partir de uma instalação de destilação não mostrada mais detalhadamente, no número 1 é alimentada uma mistura de água com uma concentração de cerca de 40% até 60% em volume para um aparelho concentrador, ou seja, retificador 3, o qual separa o componente de álcool da mistura e faz a concentração, ou seja, realiza o reforço. O aparelho concentrador 3 abrange uma coluna da seção de esgotamento 5 bem como uma coluna de seção de retificação 7 separado da coluna anterior. Para a coluna de esgotamento 5 está alocado um evaporador de reservatório 9, o qual, juntamente com uma seção de fundo 11 da coluna de esgotamento 5, está acondicionado em um circuito de circulação forçada 13, formando um refervedor da coluna da seção de esgotamento 5, refervedor este que fornece uma energia operacional. O evaporador de reservatório 5, será aquecido através de um concentrador mecânico de evapores 15, acionados por motor elétrico, onde é realizada a concentração dos vapores alimentados a partir de uma seção de topo 17 da coluna da seção de esgotamento 5. Os vapores de topo de álcool, condensados pelo menos parcialmente e processados energeticamente, serão fornecidos através de uma linha de conexão 19 como adutora para uma seção de fundo 21 da coluna da seção de retificação 7.

[00019] Para a coluna da seção de retificação 7 está alocado um outro evaporador de reservatório 23, o qual, juntamente com a seção de fundo 21, está integrado em um circuito de circulação forçada 25, formando um refervedor para a coluna da seção de retificação 7. O evaporador de reservatório 23 será aquecido por um outro concentrador mecânico de vapores 27, acionado por motor elétrico, o qual concentra vapores de álcool e a parte do topo da coluna da seção de retificação 7, fornecendo estes vapores para o evaporador de reservatório 23 para o seu aquecimento.

[00020] Para os evaporadores de exaustão que foram processados com energia no evaporador de reservatório 23 e ao menos parcialmente condensados, eventualmente, através de uma linha 31 é aduzida para um trocador de calor 33, o qual aquece o álcool bruto alimentado junto ao ponto 1, sendo que simultaneamente o produto de álcool, alimentado pela linha 31, será condensado e no ponto 36 poderá ser escoado na forma de álcool retificado.

[00021] A água servida, incidente na área da base 11 da coluna da seção de esgotamento 5, através de uma linha 37 será fornecida para um outro trocador de calor 39 que continua a aquecer o álcool bruto pré-aquecido no trocador de calor 33 e fornecendo, por uma linha de alimentação 41 este material como adução na área da base 21 da coluna da seção de retificação 7. A água processado que incide na retificação poderá ser escoada no ponto 43.

[00022] Uma parte do produto processado energeticamente no evaporador de reservatório 23, será fornecido como produto reciclado o através de uma linha de alimentação 45 para a seção de topo da coluna de seção de retificação 7. A adução até a coluna da seção de esgotamento 5 verifica-se através de uma linha 47 da área da base 21 da coluna da seção de retificação 7, ou seja, do circuito de circulação forçada 25.

[00023] A coluna da seção de retificação 7 possui uma necessidade de energética termodinâmica maior do que a coluna da seção de esgotamento 5. A unidade está dimensionada de tal maneira, que o diferencial de temperatura entre a temperatura de ebulição na sua seção de fundo 21 e a temperatura de ebulição no seu topo de coluna 29 é menor do que o diferencial de temperatura entre a temperatura de ebulição na seção de fundo 11 da coluna da seção de esgotamento 5 e a temperatura de ebulição na sua seção de topo 17. Desta maneira, o grau da concentração do concentrador de vapores 27 mecânico poderá ser conformado menor do que o grau de concentração do concentrador de vapores 125 mecânico, embora a coluna da seção de retificação 7 apresente necessidade energética maior do que a coluna da seção de esgotamento 5. Ao todo, desta maneira, poderá ser notavelmente reduzido a necessidade de energia elétrica do aparelho de concentração 3.

[00024] O aparelho de concentração 3 foi acima descrito para a retificação de etanol em uma mistura de etanol-água. De uma maneira correspondente, também isopropanol poderá ser retificado em uma mistura de isopropanol-água. A instalação também poderá ser empregado para a separação e concentração de componentes de líquido de outros multicomponentes líquidos, desde que os seus componentes líquidos apresentem suficientes temperaturas de ebulição diferenciadas. A mistura de líquido será sempre introduzido junto ao ponto 1, ao passo que o destilado pode ser removido junto ao ponto 35 e os componentes da mistura residuais incidem junto ao ponto 43.

Claims

1. Instalação para separação de concentração de um componente líquido a partir de uma mistura líquida de multicomponentes compreendendo vários componentes líquidos com diferentes temperaturas de ebulição, em particular, uma mistura de etanol-água ou uma mistura de isopropanol-água, compreendendo: um aparelho concentrador (3) com duas colunas separadas (5, 7), em que uma primeira coluna forma uma coluna de seção de esgotamento (5) e uma segunda coluna forma uma coluna de seção de retificação (7) e as duas colunas (5, 7) são adaptadas para diferentes níveis de consumo de energia operacional, e um primeiro compressor de vapor mecânico (15) que fornece energia operacional para a coluna de seção de esgotamento (5) que comprime os vapores de álcool do topo da coluna de seção de esgotamento (5) e fornece a energia operacional para a seção de fundo (11) da dita coluna de seção de esgotamento (5) através de um primeiro evaporador de reservatório (9) servindo como um refervedor, a instalação sendo caracterizada pelo fato de que: um segundo compressor de vapor mecânico (27) que fornece energia operacional para a coluna de seção de retificação (7) comprime os vapores de álcool do topo da coluna de seção de retificação (7) e fornece a energia operacional para a seção de fundo (21) da dita coluna de seção de retificação (7) através de um segundo evaporador de reservatório (23) servindo como um refervedor, sendo que a coluna (7) com um nível mais elevado de consumo de energia operacional está adaptada para uma diferença de temperatura mais baixa entre a temperatura de ebulição do seu topo de coluna (29) e a temperatura de ebulição da sua base de coluna (21) do que a coluna (5) com o menor nível de consumo de energia operacional, sendo que o compressor mecânico de vapor (27) que fornece a energia operacional para a coluna (7) projetada para o nível mais alto de consumo de energia operacional é adaptado para um menor grau de compressão do que o compressor de vapor mecânico (15), que fornece a energia operacional para a coluna (5) adaptada para o nível mais baixo de consumo de energia operacional, e sendo que a mistura de multicomponentes e o produto de vapor/ou condensação energeticamente processado no primeiro evaporador de reservatório (9) podem ser fornecidos à coluna de seção de retificação (7) como uma corrente de alimentação.

2. Instalação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a mistura de multicomponentes e/ou o produto de vapores e/ou o produto de condensação energeticamente processada no primeiro evaporador de reservatório (9) poderá ser fornecido à seção de fundo (21) da coluna da seção de retificação (7).

3. Instalação, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que o produto de vapores e/ou de condensação energeticamente processada no segundo evaporador de reservatório (23) aquece um trocador de calor (33) que por sua vez aquece a mistura de multicomponentes alimentada e condensa o componente líquido concentrado.

4. Instalação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que um trocador de calor (39) aquecido pela seção de fundo (11) da dita coluna de seção de esgotamento (5) é disposto na linha de alimentação (41) da mistura de multicomponentes para a coluna de seção de retificação (7).

5. Instalação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que o primeiro concentrador de reservatório (9) e o segundo concentrador de reservatório (23) estão conectados à seção de fundo (11) da coluna da seção de esgotamento (5) ou à seção de fundo (21) da coluna da seção de retificação (7) através de circuitos de circulação forçada separados (13, 25).

6. Instalação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que a seção de fundo (21) da coluna da seção de retificação (7) está conectada à coluna da seção de esgotamento (5) através de uma linha de alimentação (47).

7. Instalação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pelo fato de que, a coluna da seção de retificação (7) é adaptada à necessidade energética mais elevada e ao diferencial de temperatura menor.