Construcción y uso de un alambique para etanol© Copyright 1980 J.A. Diaz Publications
Autor: S.W. Mathewson
Se puede clasificar el equipamiento para destilación en muchas categorías. Es posible construir a gran tamaño una máquina sencilla como la ilustrada en la figura 11-1. Sin embargo ese sencillo alambique por lotes conseguiría una pureza menor del 50% en la primera destilación, y solamente después de muchas destilaciones se podría alcanzar una pureza del 95%. No es práctico para la producción de etanol combustible por el gasto de tiempo y energía. Como excepción, una pureza del 50% sería aceptable en un sistema de inyección de alcohol.
Las columnas rectificadoras, por otra parte, pueden llegar al 95% con una sola destilación. Pueden ser continuas o por lotes. Un alambique para proceso por lotes tiene caldera y columna rectificadora. Se pone la mezcla en la caldera, se destila el alcohol, y se para la máquina para vaciar la caldera y llenarla con el siguiente lote. Los alambiques continuos no se paran periodicamente. Pueden funcionar día y noche y, con los automatismos adecuados, requieren muy poca atención.
La columna de reflujo con relleno descrita en el capítulo once no es muy eficiente. La figura 14-1 muestra una máquina mayor basada en el mismo principio. Aquí el vapor asciendente por los agujeros de un disco perforado. El líquido condensado baja por tuberías. No cae por los agujeros por la presión que ejerce el vapor ascendente. Por lo tanto un poco de líquido queda atrapado en cada disco, y al atravesarlo el vapor evapora el alcohol del líquido. El efecto es similar al de la columna de reflujo con relleno; en cada disco se produce una destilación. Hay muchos diseños distintos para estos discos. Por ejemplo, en los modelos más grandes se ponen campanas de barboteo.
La figura 14-2 muestra un equipo de destilación continua con los discos de la figura 14-1. Consiste en dos columnas, aunque se podría hacer con una sola. El líquido a destilar se bombea dentro de la primera columna, cerca del extremo superior. Se introduce por el fondo vapor de agua. A la vez que desciende el líquido, el vapor evapora el etanol que contiene. El etanol evaporado pasa a la siguiente columna y el líquido, ya sin alcohol, sale por la base. La siguiente columna tiene discos parecidos a los de la primera. En ella se separa el vapor de etanol de la mayor parte del vapor de agua que queda, y sale con una pureza del 95%.
El equipamiento descrito hasta ahora se basa en el principio de añadir calor para hervir el líquido e introducir el vapor en el proceso de destilación. Otra forma de evaporarlo es reducir la presión. Con vacío se puede llevar el agua helada hasta los 32º F fácilmente. Las mezclas de agua y etanol también se pueden hacer hervir simplemente con reducir la presión. Este equipo consiste en una bomba de vacío, un condensador y un alambique por lotes construido para resistir la presión externa causada por el vacío. Este equipamiento merece atención, aunque la energía gastada por la bomba de vacío probablemente sea igual a la gastada por un alambique normal.
La elección del equipo de destilación depende mucho de la economía. Los alambiques continuos tienen que estar bien diseñados, y son caros. Sin embargo las ventajas de la operación automática y el poco trabajo necesario para hacerlos funcionar los hacen muy atractivos. Para la producción de gran cantidad de combustible es interesante un alambique continuo. Los alambiques por lotes, qunque requieren mucho trabajo, puede construirlos cualquiera con relativa facilidad y por poco dinero. El resto de este capítulo describe la construcción y uso de dichos equipos.
Se puede aprovechar la energía solar de muchas maneras para aportar calor a la destilación. El capítulo quince habla de alambiques solares.
La figura 14-3 muestra una sencilla columna de reflujo. Es simplemente una tubería que contiene un material de relleno para proporcionar una gran superficie interna. A parte del tubo que contiene el relleno, tiene que haber algún tipo de filtro en la base para evitar que el relleno caiga a la caldera. El termómetro en lo alto de la columna es necesario para saber la temperatura del vapor que entra en el condensador.
Una columna de tres pulgadas de diámetro debería tener cuatro pies de longitud. Sería capaz de producir un galón por hora, dependiendo de la concentración inicial de etanol. Un alambique de cuatro pultadas tendría seis pies de longitud y produciría dos galones por hora. Con seis pulgadas, la longitud sería de diez pies y la producción de cinco o seis galones por hora. Las columnas de este tipo no funcionan bien con diámetros mayores de seis pulgadas.
Sobre la columna tiene que haber un condensador para enfriar el vapor y volverlo líquido. Puede ser un serpentín de tubería de cobre blando dentro de un contenedor adecuado, como se muestra en la figura 14-4. Aquí el agua se emplea como medio para intercambiar calor. En alambiques pequeños el condensador puede estar refrigerado por aire. El radiador de un viejo automóvil funcionaría muy bien. Lo importante es que sea lo bastante grande para enfriar todo el vapor hasta menos de 100º F, y preferiblementa hasta menos de 60º F.
Si algo dificulta el paso del vapor al condensador puede formarse presión dentro de la columna y la caldera. Por eso en un alambique de tres pulgadas el diámetro de la tubería del condensador no debería ser menor de 3/8 de pulgada. El diámetro efectivo de un condensador se puede aumentar conectando en paralelo dos o más serpentines.
Para completar el equipamiento básico falta la caldera. Sirve un bidón de 55 galones. Es mejor que esté tumbado para aumentar la superficie de evaporación. Como alternativa, se puede acoplar una colunna pequeña al bidón donde se prepara la mezcla, como se muestra en la figura 13-1. Se puede hacer una caldera más eficiente con un calentador de agua. Los hay calentados por madera, carbón, electricidad y gas. Normalmente están recubiertos de vidrio y aislados. Con frecuencia se pueden encontrar en chatarrerías y pueden ser reconstruidos. Se pueden adaptar otros tipos de calderas y distintos tipos de calentadores de agua, domésticos o comerciales.
El funcinamiento satisfactorio de la columna de reflujo descrita más arriba depende de un control cuidadoso de la cantidad de vapor que entra en ella. Sin embargo es difícil controlar la cantidad de vapor que producen las calderas calentadas con madera, carbón, o combustibles similares. El serpentín de control de reflujo mostrado en la figura 14-5 se puede añadir a la columna para regular la temperatura de su extremo superior con mucha exactitud. La unidad de control de reflujo es simplemente un serpentín de refrigeración situado en la columna para controlar el reflujo. Está hecho enrollando tubería de cobre blando sobre un cilindro. Después se pone dentro de la columna.
Durante el funcionamiento de la columna circula por el serpentín agua fría para condensar una parte del vapor ascendente y, por tanto, aumentar el reflujo. Hay que ajustar con precisión la cantidad de agua que pasa por el serpentín. Se deben usar pequeñas válvulas de aguja diseñadas para la medición precisa de líquidos. Se puede conseguir un funcionamiento semi-automático cambiando las válvulas de aguja por electroválvulas controladas por sensores de temperatura.
Se le pueden hacer muchas mejoras al alambique básico. Una de ellas es un cárter para el densímetro como el que se muestra en la figura 14-6. Está construido con piezas normales. El etanol líquido que sale del condensador entra por el fondo del cárter y sube hacia arriba. El densímetro y el termómetro permiten un control continuo de su pureza. La válvula del fondo del cárter permite drenarlo.
La figura 14-7 muestra una columna de reflujo con dos serpentines de control, un cárter con densímetro y las tuberías. La disposición del condensador, las tuberías, las válvulas, etc aclara la ilustración y no tiene por qué ser la mejor posible.
La columna puede ser de cobre, hierro o acero. El aluminio no es adecuado porque puede reaccionar químicamente con el etanol. También se debe evitar el uso de ciertos tipos de goma y plástico que son corroídos por el etanol. Las tuberías y acoplamientos de cobre, aunque son más caros, facilitan el trabajo. Los recomiendo.
Para construir una columna de, por ejemplo, cuatro pulgadas, empieza cortando seis pies de tubería para la rectificación, dos o tres pies para la sección de separación y dos tramos de un pie de longitud para los serpentines de control. El uso de dos serpentines permite un control muy preciso de la temperatura a lo largo de la columna. Sin embargo, si la fuente de calor se puede controlar fácilmente, como ocurre con el gas y la electricidad, se puede quitar el serpentín inferior. Los serpetines de control son de tubería de cobre blando de entre 3/16 y 3/8 de pulgada.
La columna debe estar rellena. El relleno puede ser de canicas, guijarros, vidrios rotos, pequeños trozos de tubo (metálico o de vidrio). Sirve cualquier cosa que no se oxide ni reaccione con el etanol. Sin embargo el mejor relleno para este tipo de columna probablemente sea el estropajo de cobre o acero inoxidable. La lana de acero corriente no sirve porque se oxida rápidamente. Hay que poner algún tipo de malla o soporte en la base de cada parte rellena para evitar que el relleno caiga a la caldera. El soporte más sencillo es un pedazo de malla gruesa del diámetro de la columna soldado a ella.
Después de rellenarla se puede ensamblar toda la columna. El dibujo muestra las uniones.
La figura 14-3 muestra el termómetro (u otro sensor de temperatura) sujeto en su sitio por un tapón de corcho. Esto es un dispositivo de seguridad. Una presión excesiva empujará el tapón de corcho hacia fuera. Si se sujeta el termómetro de alguna otra manera habrá que añadir en la columna o en la caldera una válvula de alivio, como en los calentadores de agua.
Merece la pena poner sensores de temperatura remotos (termopares o termistores) con el lector situado en un lugar cómodo, por ejemplo, cerca de las válvulas de control de reflujo. Como se dijo antes, el uso de válvulas de solenoide controladas por sensores de temperatura remotos, en lugar de (o mejor junto con) las válvulas de aguja permitiría un funcionamiento semi-automático. También es necesario un termómetro para medir la temperatura del vapor de la caldera.
La válvula de tres vías situada debajo del cárter del densímetro permite volver a introducir en la caldera el producto impuro para redestilarlo. Además son necesarios dos depósitos, uno para el etanol más puro y otro para el de poca pureza. Como se explicará luego, el depósito de poca pureza se debe colocar de forma que su contenido se pueda verter en la caldera antes de empezar cada lote.
Durante la destilación la caldera no puede estar llena hasta más de 3/4 de su capacidad máxima. Cuando el líquido empieza a hervir, empieza a subir vapor por la columna. Después de un rato la columna se calienta y llega a un equilibrio. Para una concentración normal de un 8% de etanol, la temperatura inicial del vapor en la caldera será de unos 200º F. El vapor se enfría al subir por la columna, y se estabiliza a 173º F en su extremo superior, que es aproximadamente la temperatura de ebullición de la mezcla azeotropica de agua y etanol.
Si sale de la caldera más vapor del que puede admitir la columna, la temperatura en lo alto del alambique superará los 173º F y la concentración de etanol del vapor que llegue al condensador será menor. En el caso contrario, si no entra suficiente vapor, la temperatura en lo alto del alambique no será suficiente y no llegará vapor al condensador. En una columna sin serpentines de control la fuente de calor y la caldera tienen que estar ajustados para mantener la cantidad de vapor apropiada. En alambiques con control de reflujo la caldera se ajusta para producir un exceso de vapor. El serpentín de control inferior se ajusta para que el termómetro situado justo encima de él marque 180º F, y el superior a 173º F.
Después de que se haya estabilizado la temperatura de la columna, se abre la válvula de tres vías para que el etanol vaya al recipiente de alcohol concentrado. Al empezar la destilación pueden pasar por el alambique vapores con un punto de ebullición bajo, que no son de etanol. Ese líquido está compuesto por substancias con un punto de ebullición menor que el del etanol. Sin embargo no afectan a la calidad del combustible y no hay por qué darles importancia.
Al avanzar la destilación aumentará la proporción de vapor de agua y disminirá la proporción de vapor de etanol. Aumentará la temperatura de la caldera. Con el tiempo se alcanzará un punto en el que haya tan poco alcohol en el vapor que la columna no podrá separarlo del agua. La temperatura en lo alto de la columna aumentará un poco y disminuirá la concentración en la salida. En ese momento es mejor guardar el líquido que sale en el recipiente de poca concentración.
Se debe continuar la destilación hasta que la temperatura en lo alto de la columna sea igual que la temperatura del vapor de la caldera, que será de 208-212º F dependiendo de la altitud, la presión atmosférica y la cantidad de material disuelto. Al cambiar al recipiente de poca concentración hay que parar los serpentines de control y dejar que aumente la temperatura de la columna.
La destilación habrá terminado cuando la mezcla haya perdido todo el etanol. Se sabe por la temperatura de la caldera y de lo alto de la columna, como se dijo antes. Se saca el líquido que queda en la caldera, ahora llamado residuo de destilación, y se llena con el siguiente lote. El residuo de poca concentración del lote anteior se añade al nuevo lote, y el alambique queda listo para la siguiente destilación.
La construcción y uso de un equipo como el descrito en este capítulo tiene muchos riesgos inerentes. El alcohol es inflamable. Las mezclas de aire y vapor de etanol pueden ser explosivas. El equipo debe estar en un lugar bien ventilado, preferiblemente en el exterior o en una cabaña lejos de otros edificios. El alambique debe estar unido a tierra eléctricamente para evitar la formación de electricidad estática. Y sobre todo, hay que actuar con precaución y sentido común. Si no está seguro de algo que pueda ser peligroso infórmese bien antes de seguir adelante.
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