Deshidratación reactiva de bioetanol definida en la ingeniería de procesos considerando aspectos económico-ambientales: diseño, simulación, optimización y control

Abstract

Bioethanol is produced by fermentation processes at very low concentrations. To be used as a fuel in gasoline mixtures, it is necessary to have a purity of at least 99 mass%. Due to the presence of the azeotrope in the {ethanol – water} mixture, the purification processes used are highly energy-demanding. Given this fact, new reactive dehydration processes are defined, using epoxides, for the production of anhydrous ethanol, derived products of added value and electrical energy through simulation techniques in stationary state, dynamic state and stochastic optimization, ensuring its operation through control systems and highlighting its potential over typical azeotropic distillation. The results indicate that the reactor-separator system using propylene oxide at the concentration of diluted ethanol (condition at the fermentation outlet), is the best technical-economic-environmental option among all the processes studied. In addition, the reactive dehydration produces higher net profit, higher ethanol purity and lower CO2 emission than the typical azeotropic distillation.

El bioetanol se produce mediante procesos de fermentación a concentraciones muy bajas. Para ser utilizado como combustible en mezclas de gasolina, es necesario que exhiba purezas de al menos 99 %masa. Debido a la presencia del azeótropo en la mezcla {etanol – agua}, los procesos de purificación utilizados son altamente demandantes en energía. Ante este hecho, se definen nuevos procesos de deshidratación reactiva, usando epóxidos, para la producción de etanol anhidro, productos derivados de valor agregado y energía eléctrica mediante técnicas de simulación en estado estacionario, estado dinámico y optimización estocástica; garantizando su operación a través de sistemas de control y destacando su potencial sobre la destilación azeotrópica típica. Los resultados indican que el sistema reactor-separador usando óxido de propileno a concentraciones de etanol diluido (condición a la salida del fermentador), es la mejor opción técnica-económica-ambiental entre todos los procesos estudiados. Asimismo, la deshidratación reactiva produce mayor beneficio neto, pureza de etanol más alta y menores emisiones de CO2 que la destilación azeotrópica típica.