ELABORACION DE VODKA POR DESTILACIÓN FRACCIONADA

(RECTIFICACIÓN)

El vodka es una de las bebidas alcohólicas destiladas más conocidas a nivel mundial. Consta básicamente de agua y etanol. Se elabora a partir de la fermentación de plantas o granos ricos en almidón (como centeno, trigo, remolacha, azúcar, o papa). El nivel de alcohol del vodka se encuentra entre el 30 y el 50% por volumen. Existen distintos tipos de vodka según el lugar donde lo originen. De esta manera tenemos el vodka polaco, ruso, checo, eslovaco y lituano.

1. PROCESO DE ELABORACIÓN

Preparación del caldo: Los granos del trigo o centeno se muelen hasta quedar convertidos en harina, se le agrega agua y se mezcla bajo presión, hasta la formación de un gel, y finalmente en azúcares. Estos azúcares se transforman en alcohol por fermentación con levaduras después de transcurridas 40 horas. Se obtiene una bebida con alto contenido en alcohol (cerca del 90%) que se procede a destilar

Destilación. mediante la destilación se adquiere el aguardiente base, después de que se han separado sus componentes básicos: que son: agua, alcohol, metanol y fusenol

Para el procedimiento de destilación se utiliza un alambique continuo que cuenta con dos columnas: el analizador y el rectificador. Se introduce vapor caliente en la parte inferior del analizador, que asciende por los compartimientos, calentándolos a su paso. También, se introduce, por vía del rectificador, una pequeña cantidad de líquido fermentado en la parte superior, que cae por las planchas que el vapor ha calentado a su vez. De esta manera, se calienta el líquido, el alcohol empieza a evaporarse y cuando el líquido cae a la parte inferior de la columna, se extrae la mayor parte de su alcohol mediante un sifón. Los vapores del aguardiente y el vapor restante salen por la parte superior de la columna a través de un conducto que los lleva al rectificador. Más adelante profundizaremos en este tema

El número de veces que la bebida es destilada depende en gran medida de la marca y la calidad. Los vodkas comunes son destilados de dos a

tres veces (p.e Smirnoff). En el nivel superior del mercado se encuentran vodkas destilados 4 (Belvedere), 5 (Lokka y Ciroc), 6 (Alpha Noble), 8 (Russian Standard Imperia) e incluso 9 veces (Jean Marc XO, que actualmente ostenta el récord).

Filtración: a continuación el vodka es sometido a un proceso de filtración, cuyo objeto es eliminar cualquier tipo de impurezas que pudiesen persistir en el líquido y cualquier componente aromático para obtener de esta forma un destilado sin sabor. La filtración varía de una destilería a otra, aunque el método más común es el uso de filtros de carbón orgánico, generalmente de madera de abedul o manzano. Otros métodos incluyen la utilización de arenas de cuarzo, metales preciosos o incluso diamantes. En ocasiones el vodka es enfriado a muy bajas temperaturas para provocar la solidificación de eventuales residuos.

Disolución: la bebida final antes de la mezcla contiene 96 % de alcohol y carece casi por completo de sabores y olores ajenos a los propios del etanol. La calidad del agua es fundamental para el resultado final. A menudo se suele recurrir a aguas provenientes de determinados glaciares, manantiales, lagos, etc. El volumen total de alcohol suele oscilar, como ya se mencionaba anteriormente, entre 37,5º y 42º para los vodkas occidentalizados y hasta 70º en el caso de algunos destilados rusos

2. TIPOS DE DESTILACION

La destilación es un proceso de separación que consiste en eliminar uno o más componentes de la mezcla, aprovechando sus puntos de ebullición, Existen cuatro tipos de destilación en la industria actual: destilación por arrastre de vapor, destilación simple, destilación instantánea o flash, y la destilación fraccionada o rectificación.

La destilación por arrastre de vapor, como su nombre lo indica utiliza el vapor vivo discontinuo para provocar el arrastre de la sustancia volátil a concentrar. Casi siempre se utiliza para aislar aceites esenciales de plantas aromáticas que son insolubles en agua, con el fin de facilitar su posterior separación del agua, como se observa en la figura 1

Figura 1. Esquema de un equipo de destilación por arrastre de vapor

En la destilación simple se hace la mezcla y se produce un vapor por calentamiento con llama. Este vapor se separa del líquido por condensación tan pronto como se obtiene. La figura 2, muestra un aparato de destilación simple discontinua

Figura 2. Esquema de destilación simple

La destilación instantánea o flash, se basa en la evaporación de una fracción del líquido al ser calentado a altas presiones, hasta que el vapor y el líquido alcanzan un equilibrio líquido – vapor. y separándolos finalmente.

La destilación fraccionada, también denominada rectificación es un método muy utilizado en la actualidad para separar los componentes de una mezcla líquida mediante calor .Según G, López, es un proceso físico utilizado para separar mezclas de líquidos mediante el calor, y con un amplio intercambio calórico y másico entre vapores y líquidos. Se emplea principalmente cuando es necesario separar compuestos de sustancias con puntos de ebullición distintos pero

cercanos. Este tipo de destilación es continua y permite manipular grandes cantidades de materiales y el reflujo hace posible alcanzar purezas elevadas en los productos destilados como el etanol.

La principal diferencia que tiene con la destilación simple es el uso de una columna de fraccionamiento. Ésta permite un mayor contacto entre los vapores que ascienden con el líquido condensado que desciende, por la utilización de diferentes "platos" (placas). Esto facilita el intercambio de calor entre los vapores (que ceden) y los líquidos (que reciben). Ese intercambio produce un intercambio de masa, donde los líquidos con menor punto de ebullición se convierten en vapor, y los vapores de sustancias con mayor punto de ebullición pasan al estado líquido. Algunos de los ejemplos son el petróleo, y la producción de etanol. En la figura 3 se muestra un equipo de destilación fraccionada

Figura. 4 Diagrama de la destilación fraccionada

3.

RECTIFICACION.

3.1 Descripción de la instalación

Aunque por medio de destilaciones simples, continuas o súbitas, se pueden lograr separaciones útiles, pero debido a consideraciones económicas o a especificaciones estrictas se recurre a la destilación con enriquecimiento o rectificación.

La rectificación es una operación por la que a partir de una mezcla alimento se obtienen dos corrientes de productos (destilado y producto) con las calidades deseadas. Los equipos más empleados son torres cilíndricas, que pueden ser de relleno o de platos.

Las torres de relleno son columnas cilíndricas verticales, las cuales están rellenas con pequeñas piezas que sirven para aumentar el área de contacto entre la fase gaseosa y liquida. Las torres de platos son columnas cilíndricas que contienen en su interior una serie de platos perforados o con campanas de burbujeo que permiten el contacto mínimo de la fase líquida y gaseosa. Ver figura 5.

Figura 5. Columnas de rectificación

Una columna de platos sencilla (Figura 6) está compuesta por:

Figura 6. Esquema de una columna de platos sencilla

Caldera, rehervidor

o ebullidor: se sitúa en la

base de la columna. Suministra

el calor necesario para generar una corriente de vapor y consta de un dispositivo de entrada de la corriente líquida procedente del plato inferior. También esta adecuada con una salida que elimina la corriente de residuo. * Cuando se va a destilar una mezcla acuosa, donde el agua es el componente pesado se usa vapor vivo para el calentamiento. Existen

varias clases de rehervidores según el intercambiador usado y la localización en la columna (Ver figura 7)

Chaquetas de calentamiento en la parte inferior de la columna Intercambiador tubular interno en el fondo de la columna Intercambiador tubular externo

Figura 7. Clases de rehervidores

Condensador: es el dispositivo de eliminación de calor situado en la parte superior de la columna. En el entra el vapor originario del piso superior y salen las corrientes del líquido y vapor, o solamente líquida según éste sea parcial o total. Existen condensadores parciales y totales según su funcionamiento como se observa en la figura 8

Figura 8. Clases de condensadores según el funcionamiento

Acumulador: es un dispositivo situado junto al condensador, que recibe las corrientes de líquido y vapor procedentes de éste y que permite la salida del reflujo y el destilado. El acumulador permite una amplitud operacional que puede mantener en funcionamiento la columna cuando se presentan problemas con el condensador o variaciones de flujo.

Pisos: es el lugar donde se produce el contacto entre las dos fases. Uno de los pisos intermedios es el de alimentación, que divide a la columna en dos sectores: enriquecimiento y agotamiento

3.2 Diseño de columnas de platos

Para dimensionar una columna de rectificación es necesario conocer el diámetro de la columna, la altura de la columna, entre otros, que son parámetros geométricos que van a influir en gran medida en las variables dependientes como los gradientes de temperatura, composición y la velocidad de flujo. Debido a que estas variables dependientes desarrollan oscilaciones o variaciones que van a ser más o menos regulares, pudiéndose tener así una velocidad de flujo promedio para un periodo de tiempo

Diámetro de la columna: relacionados con los caudales de líquido y vapor que circulan en su interior.

Altura de la columna: en función del números de platos y de la separación de los mismos.

Detalles constructivos: tales como número y diámetro de agujeros de hombre, material de platos, etc.

Caudales de calor: que se debe suministrar en la caldera y eliminar en el condensador.

Caudales y composiciones de todas las corrientes.

3.2.1 Cálculos de las líneas de operación.

Si llamamos A, D y R a los caudales del alimento, destilado y residuo respectivamente (Kmol/h) y KA, XD y XR a las fracciones molares del componente volátil de la mezcla en las mismas corrientes, un balance de materia global a la columna seria

A=D+R (1)

Y un balance de componente volátil:

AXA=DXD+RXR (2)

De donde fácilmente pueden deducirse los caudales de destilado y residuo producidos

D=A ( X A−X R

X D−XR)

R=A ( XD−X A

X D−XR)

(3)

A continuación en la figura 9 se muestran la nomenclatura utilizada en los platos del sector de enriquecimiento. La del sector agotamiento será la misma pero utilizando en subíndice m.

Figura 10. Nomenclatura utilizada en los platos de sector enriquecimiento

En la figura 11 está representado un diagrama de equilibrio T – X – Y se observa como las corrientes que entran en un plato n no están en equilibrio, pero las que lo abandonan sí. De esta forma, tras sucesivos platos las corrientes de líquido y vapor se van enriqueciendo en el componente más pesado y más volátil respectivamente.

Figura 11. Representación de las corrientes que entran y abandonan el plato

Para los siguientes cálculos utilizaremos las superficies de control y nomenclatura empleada en la figura 12 acerca de un esquema básico de una columna

Figura 12. Esquema básico de una columna para realizar los balances de materia

Si realizamos un balance de materia total y de componente volátil a la superficie de control 1 (sector de enriquecimiento) de la figura 12 obtendremos:

Global V n+1=Ln+D (4)Componente vol á til :V n+1Y n+1=Ln Xn+D X D (5)

Despejando

Se obtiene la ecuación representativa de la línea operativa del sector de enriquecimiento (L.O.S.E)

Realizando un tratamiento análogo para el sector II

Despejando

Obtenemos la ecuación representativa de la línea operativa del sector de agotamiento (L.O.S.A)

Si suponemos que los caudales molares de líquido y vapor en cada sector son constantes (hipótesis de Mc Cabe), lo cual es razonable para mezclas con comportamiento ideal cuyos componentes tengan un calor latente de vaporización muy semejante:

Sector enriquecimiento :Ln=Ln−1=cte=LV n+1=V n=cte=V (10)Sector agotamiento :Lm=Lm+1=cte=¿

LV m+1=V m=cte=¿

V(11)

Si definimos la razón de reflujo externa como el caudal de líquido que retorna a la columna desde el condensador con respecto al caudal de destilado obtenido, es decir:

RD=LD

(12)Y teniendo en cuenta la hipótesis de Mc Cabe, podemos reescribir la ecuación de la línea de operación del sector enriquecimiento como.

L .O .S .EY n+1=L

L+DX+

D XD

L+D=

RD

RD+1+D XD

RD+1(13)

En cuanto al plato de alimentación, la adición de un alimento a la columna provoca un cambio en los caudales de liquido y vapor de los sectores, dependiendo del tipo de alimentación. Así si definimos f como la fracción de alimento que es vapor, tenemos:

Si f = 0 el alimento será líquido a su temperatura de ebullición. Si f=1 el alimento será vapor a su temperatura de

condensación. Si 0<f<1 el alimento será una mezcla líquido – vapor

Así dependiendo del valor de f, tendremos diferentes valores para los caudales de vapor y líquido como lo indica la figura 13

Figura 13. Esquema del plato de alimentación

Realizando un balance de materia a la sección de alimentación descrita en la figura 13 tendremos.

Sí suponemos que la alimentación sufre una destilación súbita al entrar a la columna, desdoblándose en una corriente de vapor (v) y otra de líquido (l), un sencillo balance de componente volátil nos llevaría a

Dividiendo por F y teniendo en cuenta la definición de f

Despejando

Se obtiene la ecuación denominada línea de alimentación L.A

3.2.2. Procedimiento de cálculo de pisos (Método de Mc Cabe)

Si analizamos las tres líneas de operación obtenidas [L.O.S.E , ec (13), L.O.S.A Ec(9) y L.A Ec (18)], es fácilmente deducible para Y=X 8diagonal se cumple:

Con estas tres ecuaciones y las relaciones y las relaciones de equilibrio, se pueden calcular el número de pisos o platos teóricos de una columna, operando piso a piso. Conocidas la composición del vapor que entra al piso 1, procedente de la caldera y su presión de funcionamiento, se puede calcular la composición del líquido que lo abandona mediante la recta operativa de agotamiento. Con los datos de equilibrio se puede calcular la composición de la corriente vapor que abandona esta etapa y entra en la segunda. Operando así piso a piso se llegará al de alimentación. Una vez superado este, se continúa el cálculo ascendente utilizando la línea operativa del sector de agotamiento. Este método se puede realizar de forma sencilla mediante un procedimiento gráfico que resumimos a continuación.

a) Se dibuja la curva de equilibrio Y-X

b) Se sitúan los puntos X D, , X A y XR sobre el diagrama.

c) Se dibujan los puntos que como sabemos pertenecen a las líneas L.O.S.E, L.O.S.A y L.A. respectivamente.

d) Se traza L.A. una vez conocido f

e) Se traza L.O.S.E, una vez conocido RD

f) Se traza L.O.S.A desde X=XR hasta el punto de corte de L.A y L.O.S.E ( se puede demostrar que las tres líneas tienen un lugar geométrico común)

g) Se construyen los escalones como se indica en la figura 13. Los escalones se apoyan en la L.O.S.E. en el sector de enriquecimiento y en la L.O.S.A. en el sector de agotamiento. Se empieza con XD y se termina con XR . Cada escalón se corresponde con una etapa ideal de equilibrio. Sí el último escalón no es completo se calcula la parte proporcional de escalón que le corresponde

h) Se localiza el plato de alimentación como aquel escalón que cruza con L.A.

i) Se cuentan los escalones, identificándolos con platos ideales. Uno de ellos será siempre caldera.

j) Se calcula el número de platos reales, conocida la eficacia del plato (que varía entre 0 y 1). El valor obtenido se redondea hacia arriba, así

k) Se calculan las necesidades energéticas de la columna, conocidos los calores latentes de cambio de estado .

Figura 13. Cálculo del número de pisos teóricos según el método gráfico Mc Cabe.

3.2.3. Condiciones límites de operación

Se deduce que el número de etapas de equilibrio depende de la pendiente de la L.O.S.E y por lo tanto de la razón de reflujo, RD. Así al aumentar dicha razón, las rectas de operación se aproximan a la diagonal, lo que motiva que el número de pisos necesario para una separación disminuya (Figura 14 a). Por el contrario al disminuir esta razón de reflujo, las líneas de operación se alejan de la diagonal, aumentando con ello el número de pisos necesarios (Figura14b). de esta forma podemos definir dos límites de operación.

Reflujo total: donde todo el condensado se devuelve a la columna. Las líneas de operación coinciden con la diagonal, lo que se traduce en un número mínimo de pisos. (Figura 14c). Esta figura no es real pues no recogería ningún destilado.

Reflujo mínimo: las líneas de operación cortan con la curva de equilibrio y la línea de alimentación, lo que conduce a un número infinito de pisos 8 (Figura 14d)

Figura 14. Influencia de la razón de reflujo en el número de pisos

http://www.coctelesycopas.com/elaboracion-vodka.htm

http://es.wikipedia.org/wiki/Vodkahttp://operaciones-unitarias-1.wikispaces.com/Tipos+de+Destilacion