VINAZAS

CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se relaciona con el campo técnico de Mecánica y Agricultura, debido a que proporciona un sistema y un proceso para la recuperación de productos que contienen las vinazas, tales como agua, alcohol y sólidos; y de esta manera aprovechar las vinazas y evitar que contaminen los suelos y ambiente. Aunque este sistema y método pueden se aplicados a otras industrias donde producen aguas residuales .

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las vinazas en la industria tequilera son las aguas residuales del proceso de destilación, que tienen altas concentraciones de sólidos totales (ST) por arriba de 21,000 mg/L y un pH bajo entre 3 . 5 y 3 . 9 , que en su caso si llegan a ser vertidas al suelo o sobre un cuerpo de aguas sin tratamiento previo adecuado, estos pueden contaminarse completamente acabando con la productividad y vida que sustentan, cambiando completamente las propiedades del ecosistema. De ahí que el impacto ambiental derivado de un mal manejo de tales residuos es muy alto.

Por cada litro de tequila producido, se generan en promedio, 10 L de vinaza; de acuerdo con las cifras de producción, en los últimos siete años (2010-2016) , se promueve la producción de 250 millones de litros de tequila, lo que representa 2,500 millones de litros de vinazas, las cuales son descargadas al drenaje o a cuerpos de agua y solo una fracción de ellas son tratadas .

Las vinazas son un líquido de color café turbio, por el elevado contenido de sólidos en suspensión que contiene, presenta un olor característico a alcohol-caramelo, similar al adquirido por el agave cocido y se comprende, en promedio, de 90 % de agua y 10 % de sólidos.

La principal característica es su alta carga orgánica, lo que se refleja en las concentraciones de la Demanda Química de Oxigeno (DQO) y la Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO) , cuyos parámetros en promedio se encuentran en un intervalo de 60,000 a 100,000 mg/L y de 35,000 a 60,000 mg/L, respectivamente; además de los sólidos en suspensión cuyo rango es de 20,000 a 50,000 mg/L y otras sustancias. Otro aspecto que hace a las vinazas agresivas al medio ambiente es su descarga a altas temperaturas (85 a 90 °C) , lo cual las convierte, además en un contaminante térmico.

Cabe señalar que ya se han desarrollado tecnologías para el tratamiento de las vinazas como se puede ver en el documento de patente WO2014134697 el cual divulga una mejora a una planta de concentración de vinaza, integrada con una instalación de destilación de etanol y describe una disposición estructural para un sistema de concentración que es el resultado de la combinación de tuberías de evaporación con la función de un re-hervidor 20 para las columnas 25, un condensador 08 para vapor alcohólico 02 y un evaporador de concentración 10, 11, 12, 13, un calentador final para el vino 05, separadores 21, 28, 29, 30, pre-calentadores 22, bombas de flujo 37, un sistema de eliminación de aire y generación de vacío 50, 51, un conducto de vapor 53 y un condensador evaporador 15 que son alimentados exclusivamente por la energía de condensación del vapor alcohólico 02 de la segunda columna 26 para la destilación del alcohol. Dicha invención simplemente se acopla en la salida B de la segunda columna 26 para la destilación del alcohol, que a través de los conductos 03, 04, transporta el vapor alcohólico 02 para la condensación en la carcasa del tubo condensador 08. Como se puede ver, la planta descrita es para la recuperación de alcohol y por ende la concentración de vinazas, pero no menciona o anticipa que con dicha planta se pueda recuperar el agua contenida de las vinazas, por lo que dicha planta no comprende un tanque decantador para decantar las vinazas.

Ahora bien, el documento de patente JPS63224701 se refiere a un dispositivo para concentrar un liquido de desecho de la destilación. Donde la finalidad es utilizar efectivamente el calor del agua residual caliente y no usar agua de enfriamiento para el agua residual caliente, utilizando el agua residual caliente descargada de una fábrica de refinación de alcohol para calentar un desecho de destilación liquida. El dispositivo comprende un concentrador 2 para el liquido de destilación residual; una bomba de alimentación de aguas residuales calientes 1; el interior del concentrador 2 es evacuado por una bomba de vacio 7, un eyector, etc. El agua del liquido destilado se evapora por el calor del agua residual caliente, se descarga desde una salida 11 de vapor, se condensa en un condensador 4, y luego se descarga desde una salida 10 de condensado . Mientras tanto, el líquido de desecho concentrado se descarga desde una salida de concentrado 3. Mediante tal estructura, el agua residual caliente que surge por enfriar el alcohol evaporado se puede utilizar de manera efectiva para concentrar el líquido de desecho de destilación. Dicho dispositivo tampoco realiza una recuperación de agua de las vinazas.

Es por ello que, para contrarrestar los inconvenientes antes mencionados, se ha desarrollado un sistema y proceso para la recuperación de productos que contienen las vinazas, tales como agua, alcohol y sólidos; y de esta manera aprovechar las vinazas y evitar que contaminen los suelos y ambiente. Aunque dicho sistema y proceso se pueden aplicar a industrias que producen aguas residuales o industriales.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Los detalles característicos de la presente invención se ilustran en la siguiente descripción de algunas de sus realizaciones preferentes, para lo cual se acompañan figuras a manera de ejemplos ilustrativos, por lo que no deben ser consideradas como una limitante para los alcances de la presente invención, en las que:

La figura 1 es un diagrama esquemático de un sistema para la recuperación de agua y sólidos concentrados de vinazas, de acuerdo con la presente invención, adaptado a una destiladora.

La figura 2 es una vista frontal de un tanque de decantación que forma parte del sistema para la recuperación de agua y sólidos concentrados de vinazas, de la presente invención.

La figura 3 es un diagrama esquemático de un sistema para la recuperación de agua, alcohol y sólidos concentrados de vinazas, según la presente invención, adaptado a una destiladora. La figura 4 es un diagrama esquemático del sistema para la recuperación de agua, alcohol y sólidos concentrados de vinazas, de la presente invención, en una modalidad independiente.

Con referencia a las figuras antes mencionadas, el sistema para la recuperación de productos que contienen las vinazas, de la presente invención, comprende; Un contenedor captador de vinazas (1) el cual se prefiere ubicarlo a nivel o por debajo de suelo (25), de tal manera que las vinazas sean depositadas en dicho contenedor (1) por gravedad, preferentemente, ya que puede existir otras maneras de hacer llegar las vinazas al contenedor (1) .

Un tanque decantador cerrado (3) para decantar las vinazas, el cual tiene una entrada superior (4) donde se introducen las vinazas; un venteo (6) para las expulsión de los vapores generados por las vinazas; una zona de decantación (5) con un diámetro reducido en relación al diámetro del cuerpo (7) del tanque (3) ; una salida (8) en la parte inferior de la zona de decantación (5), donde se expulsan los sólidos disueltos de las vinazas; una perforación (9) en la parte inferior del cuerpo (7) del tanque (3) donde sale la fracción liquida de las vinazas; y unas mirillas (no ilustradas) se proveen en el cuerpo (7) y zona de decantación (5), para estar monitoreando los niveles de agua y sólidos de vinazas. Por lo que en este tanque decantador (3) se generan dos fracciones, una líquida y la otra sólida, esta última son sólidos o vinazas concentradas que precipitan y se concentran en la zona de decantación (5) de dicho tanque (3) . Una primera bomba (2) se provee para transportar las vinazas,

del contenedor captador de vinazas (1), hacia el tanque

decantador cerrado (3), donde dicha primera bomba (2) debe

soportar, al menos, una temperatura de 85 °C. En este caso,

la primera bomba (2) debe tener la función de succión y

elevación para extraer las vinazas del contenedor (1) y

elevarlas a la parte superior del tanque decantador (3) .

Un evaporador de película ascendente (10) con, al menos, un

efecto, o sea con al menos una calandria (11) , para recibir

a la fracción líquida que viene del tanque decantador (3) ;

donde la fracción líquida entra a la calandria (11) de abajo

hacia arriba y se somete a una presión de 98066.5 Pa y a una

temperatura de 100 °C, para que la fracción líquida se separe

en forma de vapor de los sólidos de vinazas, sin que su

temperatura sobrecaliente a la calandria (11) . Por lo tanto,

en este evaporador (10), la fracción líquida se divide en

dos fracciones, una fracción en vapor y la otra en sólidos

I

de vinazas, donde los vapores se elevan, mientras que los

sólidos precipitan al fondo de la calandria (11) .

Una segunda bomba (12) para distribuir la fracción líquida,

del tanque de decantación (3) hacia el evaporador de película

ascendente (10) .

Al menos, un condensador (13) que consta de un conjunto de

intercambiadores de calor de casco y tubo, el cual recibe

dentro de sus tubos los vapores de la fracción líquida

provenientes del evaporador de película ascendente (10) y

por el exterior de dichos tubos se tiene presente un flujo

de fluido con una temperatura inferior a la de los vapores

de la fracción líquida que es bombeado desde una fuente de

enfriamiento; adicionalmente, el interior de los tubos de dicho condensador (13) es sometido a una presión inferior a la presión atmosférica, por medio de una bomba de vacío (14) permitiendo que el vapor de agua se condense convirtiéndose en agua líquida y cayendo al fondo del condensador (13), recuperando de esta manera agua.

Por lo tanto, una tercera bomba (24) se conecta en la parte inferior del condensador (13), para la extracción del agua condensada y enviarla a algún procesamiento posterior.

Un recipiente de vinazas concentradas (17) donde se concentran los sólidos de vinazas provenientes del tanque decantador cerrado (3) y del evaporador de película ascendente (10) cuando dichos sólidos de vinazas tienen una concentración de un 60 % de sólidos solubles.

Una cuarta bomba (18) se requiere para transportar los sólidos concentrados de vinazas, del tanque decantador cerrado (3) hacia el recipiente de vinazas concentradas (17); así también se provee, al menos, una quinta bomba (19) para la extracción de los sólidos concentrados de vinazas provenientes del evaporador de película ascendente (10) hacia dicho recipiente (17) . Cuando el evaporador de película ascendente (10) tiene más de una calandria (11) , es obvio que se requerirán bombas adicionales (19) para pasar la fracción líquida de una calandria (11) a otra, para lograr una mayor concentración de sólidos de vinazas. La última bomba (19') se encargará de transportar las vinazas más concentradas y debido a la alta densidad de las vinazas concentradas, deberá ser, preferentemente, una bomba tipo lóbulo. Dentro del sistema de la presente invención, el evaporador de película ascendente (10) que consta de al menos un efecto, es decir, una calandria (11) configurada por un intercambiador de calor de casco y tubo, y un tanque separador; para cada una de las calandrias (11), ai intercambiador de calor de casco y tubo, dentro de su chaqueta o casco, se le suministra vapor proveniente de una fuente de calentamiento para mantener el equipo en condiciones térmicas y dentro de los tubos, desde su parte inferior, se hará fluir de manera ascendente la fracción líquida proveniente del tanque decantador cerrado (3) hacia el tanque separador que permitirá que el agua evaporada pase al condensador (13) y la parte de las vinazas concentradas se descarguen a través de la bomba (19) hacia una siguiente calandria (11) y así subsecuentemente hasta alimentar las vinazas concentradas a la última calandria (11) del arreglo, la cual llevará a cabo la separación del agua condensada para el condensador (13) y la parte de las vinazas concentradas serán descargadas por efecto de una bomba de tipo lóbulo (19') hacia el recipiente de vinazas concentradas (17).

En la realización ejemplificativa del sistema de recuperación de productos de las vinazas que se aprecia en las figuras 1, 3 y 4, el evaporador de película ascendente (10) consta de 3 efectos, calandrias (11), dentro de las cuales las condiciones iniciales de las vinazas de entrada en la primer calandria (11) se caracterizan por estar a una temperatura de entre 75 y 80 °C y una concentración de 4 °Brix y saldrán de esta a una temperatura de 50 °C con una concentración de 5.8 °Brix para ser alimentadas a la segunda calandria y presentar unas condiciones de salida de 50 °C y 10.45 °Brix y finalmente son alimentadas a la tercer y última calandria (11) para presentar las condiciones finales de salida de 40 °C con una concentración de entre 58 y 60 °Brix y ser depositadas en el contenedor (17) con dichas condiciones.

Adicionalmente, la fuente de calentamiento y la fuente de enfriamiento del sistema de la presente invención pueden ser adaptados a una caldera (15) y una torre de enfriamiento (16) de una planta destiladora de alcoholes; sin embargo, dicho sistema puede ser independiente, para ello basta con proveerle de un sistema de refrigeración (26) para hacerlo independiente de los servicios auxiliares de una planta destiladora de alcoholes, ver figura 4.

Una realización más del sistema de la presente invención es que puede comprender un aparato para la recuperación de alcohol, por lo que dicho sistema, además de recuperar agua y sólidos de vinazas, puede recuperar alcohol, ver figuras 3 y 4.

Un ejemplo del aparato para la recuperación de alcohol es un evaporador de película descendente (20) , que tiene una calandria (21) , una columna de destilación (22) y un condensador (23) . En este caso el evaporador (20) se conecta y alimenta del flujo proveniente de la segunda bomba (12) que está unida a la salida (9) del tanque decantador (3) , para recibir la fracción líquida. El alcohol se separa del agua y es enviado a la columna de destilación (22), para de ahí pasar al condensador (23) donde es recuperado. El evaporador de película descendente (20) , es sometido a vacio por medio de una segunda bomba de vacío (14' ) . Y el agua recuperada en la calandria (21), del evaporador de película descendente (20), es bombeada a la calandria (11) del evaporador (10), por una sexta bomba (27) para continuar su proceso de separación de agua antes descrito.

Este sistema también puede ser adaptado a una caldera (15) y torre de enfriamiento (16) de una destiladora, ver figura 3; aunque también se le puede proveer un sistema de refrigeración (26) para hacerlo independiente de los servicios auxiliares de una destiladora, ver figura 4 .

Un objeto más de la presente invención es un proceso para la recuperación de productos a partir de vinazas, el cual se basa en la evaporación y concentración gradual de las vinazas al vacio para la recuperación de agua y sólidos, para su posterior empleo en la generación de subproductos, mediante las siguientes etapas:

1. Depositar las vinazas dentro del contenedor captador de vinazas (1), en este caso por gravedad.

2. Balancear las vinazas a un valor de pH 7 adicionando paulatinamente una solución alcalina, preferentemente, una solución de sosa caustica y manteniendo agitación constante dentro del mismo contenedor de vinazas (1) , que en este ejemplo tuvo una capacidad de 50,000 L, enchaquetado para mantener la temperatura dentro de un rango de 70 a 80°C, fabricado en acero inoxidable.

3. Transferir las vinazas con pH balanceado de la etapa anterior mediante la primera bomba (2) con un flujo de 12,500 L/h, hacia el tanque decantador cerrado (3). 4. Decantar las vinazas provenientes del contenedor de vinazas (1) dentro del tanque decantador cerrado (3) hasta lograr la separación de la fracción líquida y la fracción sólida de dichas vinazas.

5. Descargar la fracción sólida de las vinazas mediante la cuarta bomba (18) con un flujo de 12500 L/h, en el tanque de almacenamiento (17) .

6. Activar el sistema de bombas de vacio (14) para ajustar gradualmente la presión de vacio al interior del evaporador de película ascendente (10) y el condensador (13) hasta alcanzar un valor de presión de 60, 955 Pa.

7. Transferir la fracción líquida proveniente del tanque decantador cerrado (3) mediante la segunda bomba (12) con un flujo de 12,500 L/h, hacia el evaporador de película ascendente (10) .

8. Evaporar la fracción líquida proveniente del tanque decantador cerrado (3) dentro del evaporador de película ascendente (10) con, al menos un efecto, o sea, con al menos una calandria (11) .

9. Activar las bombas (19) de cada calandria (11) , de manera secuencial con la finalidad de ahorrar energía de producción de vacío y permitir el paso de la fracción líquida y llenado secuencial de las calandrias (11) .

10. Descargar las vinazas concentradas con la bomba (19') con un flujo de 1,250 L/h, en el tanque de almacenamiento (17) . 11. Finalmente, condensar dentro del condensador (13) todo el vapor de agua proveniente del evaporador (10) generado por el efecto de las calandrias (11) dentro de dicho evaporador (10) .

Una realización adicional del proceso de la presente invención es que puede comprender etapas adicionales para la recuperación de alcohol, por lo que dicho proceso, además de recuperar agua y sólidos. de vinazas, puede recuperar alcohol, comprendiéndose de las siguientes etapas:

1. Depositar las vinazas dentro del contenedor captador de vinazas (1) , en este caso por gravedad.

2. Balancear las vinazas a un valor de pH 7 adicionando paulatinamente una solución alcalina, preferentemente, una solución de sosa caustica y manteniendo agitación constante dentro del mismo contenedor de vinazas (1) , que en este ejemplo tuvo una capacidad de 50,000 L, enchaquetado para mantener la temperatura dentro de un rango de 70 a 80°C, fabricado en acero inoxidable.

3. Transferir las vinazas con pH balanceado de la etapa anterior mediante la primera bomba (2) con un flujo de 12,500 L/h, hacia el tanque decantador cerrado (3).

4. Decantar las vinazas provenientes del contenedor de vinazas (1) dentro del tanque decantador cerrado (3) hasta lograr la separación de la fracción líquida y la fracción sólida de dichas vinazas. 5. Descargar la fracción sólida de las vinazas mediante la cuarta bomba (18) con un flujo de 12,500 L/h, en el tanque de almacenamiento (17) .

6. Activar el sistema de bombas de vacio (14') para ajustar gradualmente la presión de vacio al interior del evaporador de película descendente (20) hasta alcanzar un valor de presión de 60, 955 Pa.

7. Transferir la fracción líquida proveniente del tanque decantador cerrado (3) mediante la segunda bomba (12) con un flujo de 12,500 L/h, hacia el evaporador de película descendente (20) .

8. Separar por evaporación el alcohol de la fracción de agua dentro de la calandria (21) que se encuentra unida operativamente a la columna de destilación (22) .

9. Destilar el alcohol separado en la calandria (21) dentro de la columna de destilación (22) que se encuentra unida operativamente al condensador (23) .

10. Condensar el alcohol destilado obtenido en la columna de destilación (22) dentro del condensador (23) .

11.Ajustar gradualmente la presión de vacío al interior del evaporador de película ascendente (10) y el condensador (13) hasta alcanzar un valor de presión de 60,955 Pa, activando el sistema de bombas de vacío (14) .

12.Transferir la fracción líquida proveniente de la calandria (21) del evaporador de película descendente (20) mediante la sexta bomba (27) con un flujo de 12,500 L/h, hacia el evaporador de película ascendente (10) .

13. Evaporar la fracción líquida proveniente del evaporador de película descendente (20) dentro del evaporador de película ascendente (10) con, al menos un efecto, o sea, con al menos una calandria (11) .

14. Activar las bombas (19) de cada calandria (11), de manera secuencial con la finalidad de ahorrar energía de producción de vacío y permitir el paso de la fracción líquida y llenado secuencial de las calandrias (11) .

15. Descargar las vinazas concentradas con la bomba (19') con un flujo de 12, 50L/h, en el tanque de almacenamiento

(17) .

16. Finalmente, condensar dentro del condensador (13) todo el vapor de agua proveniente del evaporador (10) generado por el efecto de las calandrias (11) dentro de dicho evaporador (10) .

Una de las principales ventajas de los procesos de la presente invención es que se logra la recuperación de un porcentaje mayor al 95% del agua presente en las vinazas mediante su separación por evaporación y subsecuente condensación para su posterior reutilización.

En base a la descripción anterior, podemos apreciar que el propósito de este sistema y proceso es la recuperación de agua en condiciones adecuadas para ser reutilizada en diversos procesos o incluso en el campo o para alimentación de mantos freáticos. Por ejemplo, para la capacidad mencionada en la descripción previa y considerando una alimentación de 12,500 L/h de vinazas de origen con un 4% de concentración de sólidos totales, las cuales comprenden un flujo total diario de 300,000 L/día, tenemos que se logra recuperar un volumen de

280,000 L de agua por día y 20,000 L de vinazas concentradas al 60 % en sólidos totales por día.