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Información tecnológica

versión On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. v.16 n.2 La Serena  2005

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642005000200011 

 

Información Tecnológica-Vol. 16 N°2-2005, págs.: 67-72

OPERACIONES UNITARIAS

Diseño y Acondicionamiento de un Condensador-Separador en Sistema de Destilación de Ácidos Grasos

Design and Improvement of a Condenser-Separator in a Fatty Acid Distillation System

D. Moreno-Juárez
Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Fac. de Ingeniería Química, Ciudad Universitaria,
Av. Madero Poniente Nº 2921, Col. Irrigación, 58140 Morelia,
Michoacán -México (e-mail : dmjuarez@zeus.umich.ccu.mx) 


 Resumen

En este trabajo se presenta una solución al problema de una torre de destilación de ácidos grasos en donde las pérdidas de grasa son considerables, por arrastres hacia el sistema de vacío y por arrastres de ligeros con el destilado. Además, las emisiones contaminantes y la inestabilidad al color de los productos, hacen necesaria una re-destilación. Para esto se diseña un condensador-separador el cual se incorpora a la torre para asegurar la separación de los componentes ligeros. Se introducen una serie de cambios de diseño y operación para mejorar la eficiencia del proceso y la calidad del destilado. El condensador-separador diseñado permite reducir las pérdidas de grasa en efluentes y disminuye el costo del tratamiento del agua de enfriamiento.


Abstract

This study presents a solution of some problems occurring in a fatty acid distillation column in which considerable losses of fatty acids occur by suction into the vacuum system as well as losses of light fatty acids in the distillation step. Also, the polluting emissions and the color instability of the products require that they be re-distilled. For this, a condenser-separator which was installed in the column to assure separation of the lighter fractions was designed. A series of changes in the design and operation for improving the efficiency of the process and the quality of the distillate were introduced. The condenser-separator designed allowed reducing the losses of fat in effluents and lowered the cost of treating the cooling water.

Keywords: distillation column, condenser-separator, fatty acids, column design


 

INTRODUCCIÓN

El proceso de destilación de ácidos grasos se realiza en destiladores que trabajan a alto vacío (entre 10 y 5 mm Hg de presión absoluta) y a temperaturas superiores a los 220° C (Pattison, 1988). En el fondo del destilador se acumulan materiales pesados e impurezas indeseables de alto peso molecular, los cuales son retirados de la torre como una corriente de residuo para posteriormente recibir un tratamiento (Allen et al., 1976). Sin embargo, dadas las condiciones actuales del equipo a pesar de contar con condensador parcial y total, la corriente del destilado suele arrastrar parte de los componentes denominados cabezas que corresponden a ácidos grasos de bajo peso molecular y valor ácido muy alto (Tabla 1). Esto provoca cierta inestabilidad en el color del producto destilado y las proteínas y algunos otros compuestos como la clorofila, azufre y metales pueden formar compuestos inestables al contacto con el oxígeno del aire que los oxidan (Pattison,1988). Estos compuestos suelen ser arrastrados con el destilado, por lo cual requieren otra destilación, proceso que implica un incremento en los costos y reduce los rendimientos y en consecuencia que el producto no reúna las especificaciones de control establecidas. Frecuentemente parte de estos compuestos son arrastrados hacia el sistema de vacío y contaminan de manera importante las torres de enfriamiento y las bombas verticales que alimentan al sistema de enfriamiento de las destilaciones. Se agrega a esto, una intensa emisión de olores característicos en el aire del tiro inducido del ventilador de las torres de enfriamiento (Pattison, 1988).

Los contenidos promedio de las materias primas oscilan entre 2.5 y 3.5 % en peso de ácidos grasos ligeros como: Caproico, Caprílico, Cáprico, Láurico, los cuales son portadores de gran cantidad de cuerpos cromóforos y de un alto valor de acidez que le confieren colores con tonalidad rojiza o café, de tal forma que al someterlos a calentamiento por encima de 100° C a presión atmosférica generan una gran inestabilidad en el color de los productos (López y Pacheco, 2000). La inestabilidad del color en los productos que se comercializan es motivo de rechazo y devolución lo cual provoca pérdidas económicas y reproceso (López y Pacheco, 2000). Por lo tanto, este proyecto pretende optimizar el proceso y resolver el problema que presenta el sistema de destilación. La Tabla 2 muestra los contenidos típicos de sebos de proceso mientras que la Tabla 3 muestra los contenidos de ligeros de materias primas. De acuerdo con las condiciones de operación normal se establecen las bases de diseño del tanque condensador-separador las que se muestran en la Tabla 4.

 

Tabla 1. Constantes de ácidos grasos comunes, según Dansk (1988)

Ácido

Átomos de carbón

Peso molecular

Valor ácido

Butírico

4

88.1

636.8

Valérico

5

102.1

549.3

Caproico

6

116.2

483.0

Caprílico

8

144.2

389.1

Cáprico

10

172.3

325.7

Laúrico

12

200.3

280.1

Mirístico

14

228.4

245.7

Palmítico

16

256.4

218.8

Esteárico

18

284.5

197.2

Oleico

18

282.5

198.6

Linoleico

18

280.4

200.1

Linoleico

18

278.4

201.5

Araquídico

20

312.5

179.5

 

Tabla 2. Contenidos típicos de sebos de proceso.

Ácido

Formula

%

Caproico

CH3(CH2)4COOH

0.5

Caprílico

CH3(CH2)6COOH

0.5

Cáprico

CH3(CH2)8COOH

0.5

Laúrico

CH3(CH2)10COOH

1.0

Mirístico

CH3(CH2)12COOH

2.0

Palmítico

CH3(CH2)14COOH

25

Esteárico

CH3(CH2)16COOH

15

Oleico

CH3CH=CH(CH2)14COOH

45

Linoleico

CH3CH=CH(CH2)12CH=CH-COOH

10

 

Tabla 3: Contenidos de ligeros de materias primas 1 Especial   2 Nacional

Ácido

Sebo 1ª

Sebo1

Sebo2

Sebo2

Caprílico

0.070

-

-

-

Cáprico

0.008

-

-

-

Laúrico

0.030

0.068

0.079

0.034

Mirístico

2.860

2.385

2.628

2.898

Miristoleico

1.238

0.882

0.313

0.192

Pentadecanoico

0.168

-

-

-

 

4.373

3.327

3.019

3.123

 

Tabla 4. Base de cálculo para el diseño del tanque condensador-separador. La capacidad (kg/h) se refiere a 20% más de prod. máxima kg/h

Concepto

Prom. instantáneo
kg/h

Prod. máxima
 kg/h

Capacidad de diseño 20%
más de prod. máxima kg/h

Producción

1,060

1,718

2,062

Contenido de ligeros en base al  3.5%

37.1 kg/h

60.13 kg/h

72.17 kg/h

Contenido de ligeros en base al 1.75%

18.6 kg/h

30.07 kg/h

36.09 kg/h

Por 8 hrs

148.4 kg/turno

240.52 kg/turno

288.72 kg/turno/.86kg/l = 335 l/turno

 

El objetivo de este trabajo es diseñar y acondicionar un sistema para separar ácidos grasos de bajo peso molecular y reducir pérdidas de grasa. Es por esto importante implementar un sistema que garantice la separación de ligeros para reducir costos de tratamiento de agua de torres de enfriamiento, pérdida de material graso en los efluentes y primordialmente las bidestilaciones, con esto se persiguen los siguientes puntos:

i) Reducir la emisión de olores desagradables.

ii) Condensar y recuperar ácidos de bajo peso molecular, evitar pérdidas y contaminación del agua de enfriamiento.

iii) Mejorar la calidad y estabilidad al color en los productos terminados.

iv) Mejorar la calidad de los subproductos, incorporando los ligeros recuperados.

 

METODOLOGÍA

El diseño y acondicionamiento del sistema de separación y recuperación de ligeros, se efectuó a través de un modelo piloto, donde se realizaron pruebas donde las variables principales fueron: el valor de la acidez, el valor de saponificación y el color. El control se realizó con pruebas de laboratorio y cromatografía de gases, siguiendo las técnicas y Métodos AOCS (1982) y de la ASTM (1983).

Se establecieron variantes en cuanto al diámetro y forma de la entrada, adecuación de la chaqueta de enfriamiento, ubicación de mampara central vertical e implementación de serpentín de enfriamiento/calentamiento en tubo de SS-316 de diámetro seleccionado, buscando que los vapores de ácidos grasos ligeros que no se hayan condensado, en los condensadores parcial y total de las columnas de destilación, entren a este tanque condensador-separador de manera tangencial que al chocar con la mampara central se induzcan hacia la superficie de la chaqueta de enfriamiento, condensándose y precipitandose al fondo. Una vez iniciada la condensación y estando normalizado el sistema, cuando se haya inundado la mirilla de la tubería inferior del tanque, se procedió a su descarga dependiendo del olor y sus apariencia, así como el material que se esté destilando; ya sea junto con el destilado principal o retornarlo a manera de reflujo al cuerpo de la columna de destilación por debajo del nivel de los eliminadores de vapor (demisters.).

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Se manejaron diversos diámetros de entrada y ubicación de la mampara buscando en cada caso que se logre un mayor condensado de los ligeros, evitando su retorno a la torre o que sean arrastrados al sistema de vacío encontrándose experimentalmente que los mayores volúmenes de recuperación fueron con las siguientes condiciones:

i) Entrada de diámetro tangencial de 10”.

ii) Sección de chaqueta de enfriamiento con un área total de 2.83 m2 (30.46 pies2).

iii) Mampara central tipo cilíndrica vertical.

iv) Serpentín para enfriamiento/calentamiento, en tubo de SS-316 diámetro de 1 1/2” S/C (aproximado de 12 m).

El diseño y las especificaciones técnicas de la configuración óptima se pueden observar en la Figura 1. La Tabla 5, muestra los resultados de la cromatografía de gases realizada al producto obtenido en el condensador-separador. Como se observa en la Tabla 5, que corresponde a una prueba experimental del modelo, la recuperación es pobre aún, sin embargo, en la Tabla 6 las características de los ligeros separados bajo las condiciones del diseño seleccionado nos confirman que son prácticamente en su totalidad ligeros denominados cabezas.

Las pruebas arrojan resultados de una recuperación del 80% de los ligeros que se encuentran presentes en los diferentes productos que se procesan. Como los ácidos grasos ligeros tienen acidez que va de 240 a 310 las pruebas de laboratorio de control de calidad arrojan resultados de acidez en las tomas que se hacen en el tanque enfriamiento/calentamiento de 310 lo que nos indica que se trata de Cabezas, resultados que son plenamente corroborados en el análisis cromatográfico.

Las pruebas realizadas a productos terminados en su parámetro estabilidad al color se han logrado abatir desde 4 y 6 Gardner hasta 2+ Gardner. Mejorándose los rendimientos del proceso de destilación. Los resultados del diseño óptimo incorporado al sistema actual de la torre de destilación se pueden apreciar en la Figura 2.

 

Tabla 5: Resultados de la cromatografía de gases realizada al producto obtenido
en el condensador-separador

Máximo

Tiempo (min)

Nombre

Área (uV seg)

Altura (uV)

Área (%)

1

2.737

Caproico

148411

10772.8

32.5

2

3.957

Caprílico y Cáprico

128932

4263.0

28.3

3

6.298

Laúrico

167724

3674.5

36.8

4

11.033

Mirístico

10540

95.5

2.3

     

455608

18806.0

100.0

 

Fig. 1: Diagrama del condensador separador de ligeros diseñado y sus respectivas ecuaciones de diseño

 

Tabla 6: Cromatografía del material obtenido en el condensador-separador

Máximo

Tiempo (min)

Nombre del compuesto

Área (uV seg)

Altura (uV)

Área (%)

1

2.733

Caproico

52566.50

3320.30

15.29

2

3.346

Caprílico

39671.81

1572.32

11.54

3

4.004

Capricho

58454.69

2340.53

17.00

4

6.364

Laúrico

67205.00

1270.81

19.55

5

11.575

Mirístico

27259.00

275.37

7.93

6

20.567

Palmítico

86080.00

378.82

25.03

7

37.918

Esteárico

12608.00

52.02

3.67

 

Tabla 7: Datos técnicos del diseño de condensador-separador óptimo (nipple= junta de racor)

Identificador

No

Diámetro

Clas y clara

Tipo

Servicio

A

1

10 “

150#

L. J.

Entrada de vapores en forma tangencial

B

1

8 “

150#

L. J.

Salida sistema de vacío

C

1

1 ½ “

150#

L. J.

Descarga de ligeros

D

1

4 “

150#

Sandwich

Mirilla lateral en SS-316

E

1

1 ½ “

150#

Sandwich

Mirilla tapa superior en SS-316

F

1

1 ½ “

150# R.F.

S.O.

Entrada agua CH. en forma tangencial

G

1

1 ½ “

150# R.F.

S.O.

Salida agua CH. en forma tangencial

H

1

1 ½ “

150#

L. J.

Entrada agua serpentín

I

1

1 ½ “

150#

L. J.

Salida agua serpentín.

J

1

1 “

150#

L. J.

Venteo atmósfera

K

1

½ “

Niple-Codo

C-40

Purga de aire

L

1

½ “

Niple-Codo

C-40

Purga chaqueta

M

1

¾ “

Cople Rosca

3000#

Termopozo

 

Fig. 2: Diagrama de la torre con el condensador separador incorporado

 

CONCLUSIONES

Con el modelo propuesto en este trabajo se obtuvo una mejora substancial en la calidad del destilado, reduciendo tanto los costos excesivos de tratamiento de las aguas de enfriamiento como las pérdidas de grasa en los efluentes. Este modelo también permite el aprovechamiento de las cabezas y el enriquecimiento de los residuos agotados para la obtención de subproductos. Así mismo, se registra un aumento en la eficiencia de la torre de destilación y la eliminación de emisiones de olores desagradables

 

REFERENCIAS

Allen Robert R., Marvin W. Formo, G.M. Mc. Demott, Norman O.V.Sontang. Bailey’s Oil and fat products. 4a edición (1976)        [ Links ]

AOCS, Manual de la American Oil and Chemical Society (1982)        [ Links ]

ASME Boiler and pressure Vessel code Secc. VIII, Div. 1 (1990)        [ Links ]

ASTM, Manual de la American Society of Testing and Materials (1983)        [ Links ]

Kern D., Procesos de Transferencia de Calor, Editorial Continental. 5a Edición (1972)        [ Links ]

López C., Pacheco R.; Estudio de factibilidad para el tratamiento de grasas para la producción de ácidos grasos y glicerina. Tesis de licenciatura, Michoacán, México (2000).        [ Links ]

Dansk, Manual de datos técnicos de D.S. Dansk Sojakagefabrik A/S (1988)        [ Links ]

Manuales tecnológicos de Emery Industries Inc. Líder a nivel mundial de ácidos grasos (1982)        [ Links ]

Pattison, S.E., Fatty acid and their industrial Applications, Ed. Dekker (1988)        [ Links ]

Perry, R.H. Manual del Ingeniero Químico, Tomo II Mc Graw Hill, 5a Edición (1992)        [ Links ]

Taborek, J., Shell and tube heat exchangers: Single-phase flow, in Heat exchanger design handbook, ed. E. U. Schlunder, Hemisphere Publishing Corp. (1983).        [ Links ]

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