Hombre, Ciencia y Tecnología ISSN: 1028-0871 Vol. 27, No. 1, ene-mar, p.27-34, 2023
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Propuesta de acciones de integración energética para elevar la calidad del proceso de
producción del alcohol técnico A
Proposal for energy integration actions to raise the quality of the alcohol technical
production process A
Autores:
MS.C. Manuel Garcia Serret, https://orcid.org/0000-0002-8920-6261
Dr.C. José Sánchez Fonseca, https://orcid.org/0000-0001-9775-1262
Ing. David Alvarez Utria, https://orcid.org/0000-0002-1194-0036
Organismo: Universidad de Guantánamo. Avenida Che Guevara. Km 1/2. Carretera a
Jamaica, Guantánamo. Cuba. CP: 95100.
E-mail: mgarciast@cug.co.cu; jsanchezf@cug.co.cu
Fecha de recibido: 3 oct. 2022
Fecha de aprobado: 9 dic. 2022
Resumen
La investigación se desarrolló entre los
años 2017-2020 en la empresa azucarera
Manuel Tames de Guantánamo, con el
objetivo de proponer acciones de
integración energética para elevar la
calidad del alcohol técnico A. Se analizaron
los consumos energéticos en dos
sistemas, en el primero obtuvimos una
presión mayor que la atmosférica de 0.158
Pa y en el segundo de 0.0225 Pa en la
producción de alcoholes finos rectificados,
mejorando las condiciones de influencia en
la integración energética, en las áreas de
fermentación y destilación. El esquema de
destilación convencional posee índices
mayores de requerimiento de calor de
1857.52 KW y de frio 807.61KW. Este
aprovecha mejor la integración térmica con
un índice de calor de 2512.71 KW y un
índice en frío de 1347.96 KW. Los
consumos mínimos de utilidades obtenidos
significaron un ahorro de 52% para el
esquema de destilación doble efecto y de
75% para la destilación convencional.
Palabras Clave: Destilerías; Extracción;
Normas e impurezas; Integración
energética.
Abstract
The research was carried out between the
years 2017-2020 in the Manuel Támes de
Guantánamo sugar company, its objective
is to propose energy integration actions to
raise the quality of technical alcohol A.
Energy consumption was analyzed in two
systems, in the first we obtained a pressure
greater than atmospheric of 0.158 Pa and
in the second of 0.0225 Pa in the
production of rectified fine alcohols,
improving the conditions of influence in
energy integration, in the fermentation and
distillation areas, the conventional
distillation scheme has higher rates of heat
requirement of 1857.52 KW and cold
807.61KW. This takes better advantage of
thermal integration with a heat index of
2512.71 KW and a cold index of 1347.96
KW. The minimum consumption of utilities
obtained meant a saving of 52% for the
double effect distillation scheme and 75%
for conventional distillation.
Keywords: Distilleries; Extraction;
Standards and impurities; Energy
integration.
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Introducción
En la industria azucarera, tradicionalmente el etanol se obtiene de la fermentación de las
mieles del proceso azucarero; pero en el campo de la investigación pueden encontrarse un
número considerable de trabajos que abordan el empleo de otros sustratos para la
fermentación alcohólica, tales como jugos del proceso azucarero, hidrolizado de bagazo y
vinazas de la destilación de alcohol Albernas., Y et, al (2012). ; Albernas., Y et, al (2014). ;
González., M et, al (2014).
En el ámbito mundial, los 2 principales productores de etanol son Brasil (a partir de caña de
azúcar) 21,375 billones de litros y Estados Unidos (a partir de maíz) con producciones
anuales de 38,088, billones de litros, siendo el primer productor.
En los últimos años se ha observado un creciente interés en la producción de alcohol a partir
de fuentes renovables. En Cuba, tradicionalmente el alcohol se obtiene de la fermentación de
las mieles del proceso azucarero. Los derivados de la industria azucarera constituyen un
renglón exportable y, por tanto, tiene gran importancia en el desarrollo económico del país.
De todos estos derivados de la miel los de mayor valor económico han entrado al mercado,
de ellos sobresalen los alcoholes, rones y aguardiente de caña. Estévez., R. (2007).
A nivel mundial, las empresas enfrentan un panorama de competencia por obtener el
liderazgo del mercado e incrementar la productividad a través de la optimización de sus
procesos productivos. Por ello es primordial que toda empresa aumente la utilización de sus
recursos empresariales, optimizando sus procesos en general, lo cual conlleva a que se
minimicen errores en los procesos, se logren los objetivos trazados, se brinde un mejor
servicio y se obtenga una mayor satisfacción del cliente. Herrera., E., & Roa., A. (2016).
El problema de la calidad y eficiencia global de la producción de alcohol, tanto técnica como
económica, puede lograrse por la influencia de la integración térmica del proceso de
destilación si se reduce el consumo de utilidades y se aprovecha la energía disponible en las
corrientes del proceso a través del intercambio de calor entre las mismas Días., M., et al
(2009).
La investigación tiene como objetivo proponer acciones de integración energética para
mejorar los parámetros tecnológicos de calidad en la producción de alcohol técnico A. La
novedad de la investigación está dada en la forma que se mejora la calidad de este alcohol,
mediante la aplicación de la integración energética que permiten reducir los contenidos de
impurezas durante el proceso productivo.
Materiales y métodos
La investigación se desarrolló entre los años 2017-2020 en la empresa azucarera Manuel
Tames, ubicada en el Km 7carretera de Argeo Martínez en la provincia de Guantánamo.
Durante la investigación se trabajó en las diferentes áreas de la destilería.
Durante la investigación se emplearon métodos teóricos y empíricos:
Métodos teóricos:
Análisis histórico y lógico.
Análisis y síntesis.
Estudio documental.
Métodos empíricos:
La observación
La entrevista
La encuesta
Análisis porcentual
El método de destilación doble efecto es similar a la configuración del método convencional,
pero las columnas de destilación operan bajo un vacío, mientras que la columna de rectificación
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opera bajo presión atmosférica. Debido a la diferencia de los niveles de temperatura que se
crean entre el rehervidor de la columna destiladora y el condensador de la columna
rectificadora, se puede realizar la integración térmica entre dichos equipos y consecuentemente
lograr la reducción del consumo de energía en la etapa de destilación Modesto, M., Zemp, R.,
Nebra, S. (2009)., Palacios-Bereche, R., et al. (2013).
Destilación doble efecto: Para la integración térmica se siguen varios pasos que en este
trabajo se han asumido; pero a partir de la influencia del proceso en la calidad del alcohol,
teniendo en cuenta los objetivos del estudio en cuestión. Estos pasos se extrajeron de.
Kemp., I. (2007). Identificación de las corrientes calientes, frías y para uso general en el
proceso: corrientes calientes son las que se enfrían o están disponibles para ser enfriadas;
corrientes frías son las que se calientan; corrientes para uso general son las que se utilizan
para calentar o para enfriar las corrientes del proceso cuando el intercambio de calor entre
corrientes de proceso no es práctico o económico.
En la industria se utilizan diversos sistemas auxiliares calientes (vapor, agua caliente, humo,
entre otros) y fríos (agua de enfriamiento, aire, refrigerante, entre otros). En este caso se
utiliza vapor y agua como utilidad caliente y fría respectivamente. En este proceso las
utilidades calientes y frías son vapor y agua respectivamente, cuyos costos son: costo vapor:
195,07USD/kW, costo agua: 0,00127USD/kW. Los costos de capital de los intercambiadores
de calor se determinan por la siguiente expresión. Kemp., I. (2007):
Costo Capital=a+b (AHEN) C. Dónde: a=1600, b=3200, c=0,7 De modo que el Costo Total es:
=Costo energía+Costo de Capital (los costos de inversión de los equipos intercambiadores
de calor y de las utilidades se determinan en USD).
Durante la investigación para comparar los patrones de calidad en el proceso de producción
del alcohol técnico “A” se utilizaron las Normas. Oficina Nacional de Normalización. Bebidas
alcohólicas. Determinación de aldehídos totales-métodos químicos. La Habana. Norma
Cubana 535. (2007) et al (2015). (Tabla 1).
Tabla 1. Requisitos de calidad del alcohol técnico “A”
Materias primas fundamentales y auxiliares en el proceso de producción de alcohol
Finos
Miel final de caña, Urea, Fosfato de Amonio, Ácido sulfúrico, Formol, hipoclorito de sodio,
Carbonato de sodio y Cal. Se debe tener en cuenta que existen variaciones de materia
prima, como en la secuencia de las actividades realizadas, que a la vez generan variaciones
en el producto final.
Esto se expresa por medio de mediciones concretas, como tiempos de procesos,
rendimientos o porcentajes de algún parámetro en específico. Euskalit., (2015).
Requisitos
Valor
Grado alcohólico expresado en % de alcohol en volumen a 20° C (mínimo)
95.0
Tiempo de Permanganato expresado en minutos (mínimo)
5
Acidez total expresado en miligramos de ácido acético por litro de alcohol absoluto (máximo)
30
Aldehídos expresados en miligramos de acetaldehído por litro de alcohol absoluto (máximo)
30
Alcoholes superiores expresados en miligramos de alcoholes superiores por litro de alcohol absoluto
(máximo)
150
150
Éteres totales expresados en miligramos de acetato de etilo por litro de alcohol absoluto (máximo)
100
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Resultados y discusión
Se puede apreciar que el sistema de destilación convencional posee índices mayores de
requerimiento de calor 1857.52 KW y frio 807.61 KW, en el sistema de destilación de doble
efecto aprovecha mejor la integración térmica con un índice de calor 2512.71 KW y un índice
en frio de 1347.96 KW durante el proceso de producción de etanol teniendo en cuenta la
capacidad de la planta. Palacios-Bereche, R., Ensinas A., Modesto M. (2015)., toma como
base los trabajos de Junqueira., T., et al (2009)., Días, M. (2012). y analiza nuevamente el
impacto de la destilación doble efecto en la reducción del consumo energético.
Estos resultados coinciden con Palacios-Bereche, R., Ensinas A., Modesto M. (2015)., que
en los alcoholes extrafinos. Los consumos mínimos de utilidades obtenidos con la integración
energética significaron un ahorro de 52% para el esquema de destilación doble efecto y de
75% para el esquema de destilación convencional.
Por tanto, a medida que se mejora la integración térmica en los procesos industriales para la
destilación de alcoholes, se reduce la cantidad de impurezas que perjudican la calidad de los
alcoholes.
Autores como Halwagi, M. (2006). Kemp, I. (2007). Cárdena, C. (2004). y Foo, DM., Tan R.
(2011). Presentaron resultados similares en cuanto a la aplicación de la integración térmica
como vía para mejorar la calidad de los alcoholes extrafino, pero en nuestra investigación se
tuvieron en cuenta la influencia del intercambio de calor en la calidad del alcohol técnico A.
Estos resultados coinciden con M, González; A, Fariña; Y, Martínez; L, Castellano; Y,
Albernas. (2016). que en los alcoholes extrafinos obtuvieron valores de 0.765 kg/s de
producto de flujo másico, el calor específico mostro valores de 5.50 kJ/ kg 0C, capacidad
calorífica 4.21(kW/0C), 81 oC de temperatura de la fuente, temperatura objetivo 50 oC, ΔH,
variación de entalpía 130.48 kW.
Autores como Dias, M., Ensinas, A., Nebra, S., Maciel, R., Rossell, C., Wolf, M. (2009).,
tienen punto de coincidencia a través de la simulación en Hysys, la influencia de la
destilación doble efecto en la reducción del consumo energético. La configuración estudiada
en sus trabajos es similar a la destilación convencional, pero operando la columna de
destilación a vacío (20-25 kPa), mientras que la columna de rectificación operaba a presiones
cercanas a la presión atmosférica (101 kPa en el tope).
mejorando la eficiencia, utilidades en lo referido a la calidad de los alcoholes extrafino,
obteniendo valores de 96.3 0GL los procesos apuntar hacia donde deben dirigirse las
acciones de integración energética, aspectos que han sido abordados por. Halwagi, M.
(2006).,. Kemp, I. (2007).; Cardona, C., Sánchez, O. (2007).; Dias, M., Ensinas, A., Nebra, S.,
Maciel, R., Rossell, C., Wolf, M. (2009)., y Foo, D., Halwagi, M., Tan R. (2011).
En este trabajo se tuvieron en cuenta el estudio de Junqueira, T., Dias M., Maciel F., Wolf-
Maciel, M., Rossell, C., Atala, D. (2009) a las columnas de alcohol extrafino incluyendo
también operación en doble efecto entre las columnas lavadora y desmetilizadora de esta
sección de la destilación. Por otro lado [20], toma como base los trabajos de Junqueira, T.,
Dias M., Maciel F., Wolf-Maciel, M., Rossell, C., Atala, D. (2009).; Días, M. (2012). y analiza
nuevamente el impacto de la destilación doble efecto en la reducción del consumo energético
no sólo en el proceso de obtención de alcohol con calidad.
Se puede apreciar en la tabla 2 que el esquema de destilación convencional posee índices
mayores de requerimiento de calor y frio, en el esquema de destilación de doble efecto
aprovecha mejor la integración térmica durante el proceso de producción de etanol teniendo
en cuenta la capacidad de la planta.
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Tabla 2. Demanda de utilidades de los procesos de destilación.
La tabla 3 muestra los índices de consumo de vapor por hectolitro de alcohol producido para
las condiciones normales del proceso y cuando en los mismos se ha aplicado la integración
energética y su influencia en la calidad del proceso, Además, se han incluido dos tecnologías
reportadas en el trabajo de M, González; A, Fariña; Y, Martínez; L, Castellano; Y, Albernas.
(2016). En el que se realizó un análisis similar en este trabajo, partiendo de la influencia de la
integración térmica en las utilidades y en la calidad del proceso y consumo de vapor. También,
se realiza la integración energética obteniéndose menores consumos de utilidades externas.
Tabla 3. Índice de consumo de vapor, T/HL de alcohol producido.
Sin integración energética
Con integración energética
D.C**
D.D.E**
DC
D.D.E
D.C*
D.D.E*
DC*
D.D.E*
T/HL
0.568
0.234
0.260
O.160
0.140
0.122
0.23
0.102
Ahorro/T/HL
-
-
-
-
0.430
0.112
0.034
0.062
Ahorro %
75
52
14.53
38.75
Dónde: DC**: Destilación convencional este trabajo; DDE**: Destilación doble efecto este
trabajo; DC*: Destilación convencional en las destilerías. Palacios-Bereche, R., Ensinas A.,
Modesto M. (2015).; DDE*: Destilación doble efecto. Palacios-Bereche, R., Ensinas A., Modesto
M. (2015).
Tabla 4. Calidad del alcohol rectificado con criterios no conformes.
Muestras
Grado
Alcohólico
Tiempo
Permanganato
Acidez
Ésteres
Alcohol
Alcoholes
superiores
1
90.0
4
1.71
56
3.76
89
2
85.2
2
0.50
26
11.54
87
3
92.1
8
1.50
57
18.51
88
4
90.4
5
1.90
4.98
8.51
90
5
95.4
10
12.0
9.32
0.46
90.4
6
92.1
9
1.97
1.92
2.69
88.5
7
93.1
7
1.95
58
1.39
89.4
8
90.4
11
1.20
9.32
0.46
89
9
91.0
9
0.97
7.92
0.69
90
10
90.2
10
1.66
8.13
0.46
89.7
11
89.6
10
4.57
12.23
2.37
87.7
12
94.2
12
1.62
4.70
0.46
87.9
De acuerdo con estos resultados y las mejoras energéticas, se logró altos valores del grado
alcohólico 96.3 y tiempo de permanganato (tabla 5), que fue necesario obtener en el
producto terminado. Los aldehídos y acidez se encuentran entre los requisitos establecidos y
los ésteres se encuentran algo elevado incumpliéndose en algunos valores.
Esquema de Destilación
Demanda
de Calor,
KW
Demanda de
Frio,
KW
Capacidad de
la planta, HL/d
Demanda de
Calor
KW/HL
Demanda de
Frio, KW/KL
Convencional
1857.52
807.61
500
3.73
1.59
Doble Efecto
2512.71
1347.96
1000
2.39
1.31
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Tabla 5. Comportamiento de los parámetros de calidad actuales en comparación con los anteriores.
Cuando se comparan estos valores de la tabla 4 con los resultados actuales (tabla 5), se
muestra que existe gran diferencia de los parámetros químicos de calidad en comparación
con los anteriores, lográndose una disminución de las impurezas.
Comportamiento de las producciones después de las mejoras tecnológicas efectuadas
En la actualidad se han producido mejoras tecnológicas en la destilería. Se deben realizar
acciones como:
1-El montaje de una columna al vacío para lograr una mejor integración energética (Columna
de enfriamiento de tecnología China que tiene como objetivo):
Lograr temperatura adecuada durante el proceso de fermentación entre 30-35 grados
centígrados como máximo para una mejor eficiencia del ciclo químico fermentativo.
Lograr mayor concentración de azúcares en alcoholes.
Obtener mayor eficiencia en la fermentación, esto logra mejor calidad en la destilación.
Mejorar los parámetros químico tecnológico en la producción de alcoholes y reducir los
niveles de impurezas.
La otra mejora tecnológica consiste en la automatización del proceso de destilación que
permite:
Automatización de las válvulas que suministran vapor a las calderas y las columnas de
destilación permiten mayor estabilidad del proceso.
Conexión de un flujómetro de entrada para lograr la batición del flujo a la columna
automatizada.
Montaje de un flujómetro de alcohol y aguardiente permite mejor contabilidad del producto
terminado.
Montaje de un densímetro automatizado en los prefermentadores que permite la
uniformidad en el brix de corrida.
Conclusiones
Se analizaron los consumos energéticos en dos esquemas de destilación de alcohol. En el
primer esquema obtuvimos una presión mayor que la atmosférica de 0.158 Pa y en el
segundo operaba a vacío de 0.0225 Pa en la producción de alcoholes finos rectificados,
mejorando las condiciones de la influencia que tiene la integración energética de la destilería
en las áreas de fermentación y destilación, apreciándose que el esquema de destilación
Muestra
Grado
alcohólico
Tiempo
Permanganato
Acidez
Éteres
Aldehídos
Alcoholes
Superiores
1
95.7
4.0
36.41
89
22.9
89.2
2
96.1
5.0
9.59
78
28.3
93.5
3
95.7
4.6
30.00
88
28.3
90.8
4
95.7
4.8
12.02
87
27.0
90.9
5
96.2
5.0
14.39
90.8
27.9
89.3
6
95.7
4.7
12.02
90
26.6
88.8
7
95.6
4.0
21.65
97.0
27.1
90.3
8
96.3
3.9
21.63
93.0
28.8
89.5
9
95.5
4.8
19.27
78.1
26.6
91.7
10
96.3
4.0
10.54
89.3
25.8
90.6
11
95.6
4.3
13.18
99.8
21.8
91.4
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convencional posee índices mayores de requerimiento de calor de 1857.52 KW y de frio
807.61KW.
Se puede apreciar que el esquema de destilación convencional posee índices mayores de
requerimiento de calor 1857.52KW y frio 807.61KW, en el esquema de destilación de doble
efecto aprovecha mejor la integración térmica con un índice de calor 2512.71KW y un índice
en frio de 1347.96KW durante el proceso de producción de etanol teniendo en cuenta la
capacidad de la planta.
Los consumos mínimos de utilidades obtenidos con la integración energética significaron en
ahorros de 52% para el esquema de destilación doble efecto y de 75% para el esquema de
destilación convencional.
Para el logro de estos fines se ejecutaron acciones de mejoras energéticas en los sistemas
de fermentación, destilación, rectificación y de extracción de impurezas como elementos
esenciales para alcanzar parámetros de calidad con valores óptimos.
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