Caso de estudio de la destilación etanol-agua en operación continua y discontinua y su simulación con ecuaciones cúbicas de estado y modelos de actividad
Resumen
La simulación del proceso de destilación binaria representa un problema interesante debido a la dinámica compleja del sistema, las interacciones termodinámicas en cada etapa de equilibrio y la interacción entre las corrientes internas y externas. En este trabajo se evalúa el funcionamiento y simulación de una torre de destilación continua y una de destilación discontinua. La simulación se realizó mediante los métodos McCabe-Thiele y riguroso, y empleando la ecuación de estado cúbica modificada Forero-Velázquez-Huron-Vidal (FVHV) propuesta inicialmente por Peng-Robinson y el modelo de actividad No-Random-Two-Liquid (NRTL). La simulación predijo la composición de los productos, el número de etapas y la etapa de alimentación. La torre de destilación cuenta con 9 etapas de equilibrio reales, por FVHV se calcularon 8 etapas y por NRTL 9, con ambos modelos se encontró que la etapa de alimentación óptima era el plato 7. En la torre de destilación discontinua se realizaron dos ensayos, con empaque tipo pall y sin empaque. Aunque la ecuación de estado FVHV tiene varias ventajas ya que todos los parámetros de las sustancias puras están generalizados en términos de propiedades termodinámicas en el punto crítico, la ecuación se correlaciona de forma acertada tanto para sustancias polares como no polares, pero en este caso el modelo NRTL presentó mejor ajuste en la composición, pero para el volumen del destilado ningún modelo representó la tendencia experimental. Se utilizó un complemento con Ms Excel® llamado homosolver para la solución del sistema de ecuaciones, para la solución de las ecuaciones en la torre de destilación discontinua se usó como método iterativo el método de Euler.
Referencias bibliográficas
C. Enweremadu; A. Waheed; J. Ojediran, “Parametric study of an ethanol–water distillation column with direct vapour recompression heat pump,” Energy for Sustainable Development, vol. 13, no. 2, pp. 96–105, Jun. 2009. https://doi.org/10.1016/j.esd.2009.05.001
W. Orozco, “Destilación al Vacío de Etanol usando Bomba Chorro,” TecnoLógicas, pp. 77-96, Dec. 2010. https://doi.org/10.22430/22565337.120
K. A. Al-Ameri; S. Mahmud; A. Dutta, “Optimum conditions for high distillation partition performance: Comparative studies,” Applied Thermal Engineering, vol. 162, Nov. 2019. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114279
A. K. Jana, “Dynamic simulation, numerical control and analysis of a novel bottom flashing scheme in batch distillation,” Computers and Chemical Engineering, vol. 89, pp. 166-171, Jun. 2016. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2016.04.010
I. Q. Matos; J. S. Varandas; J. P. Santos, “Thermodynamic modeling of azeotropic mixtures with [EMIM][TfO] with cubic-plus-association and cubic EOSs,” Brazilian Journal of chemical engineering, vol. 35, no. 02, pp. 363-372, Apr. 2018. https://doi.org/10.1590/0104-6632.20180352s20160025
H. Baseri; M. N. Lotfollahi, “Modification of Peng Robinson EOS for modelling (vapour + liquid) equilibria with electrolyte solutions,” J. Chem. Thermodynamics, vol. 43, no. 10, pp. 1535-1540, Oct. 2011. https://doi.org/10.1016/j.jct.2011.05.008
L. A. Forero; J. A. Velásquez, “The Patel–Teja and the Peng–Robinson EoSs performance when Soave alpha function is replaced by an exponential function,” Fluid Phase Equilibria, vol. 332, pp. 55-76, Oct. 2012. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2012.05.026
F. A. Banat; F. A. Al-Rub; M. Shannag, “Modeling of dilute ethanol–water mixture separation by membrane distillation,” Separation and Purification Technology, vol. 16, no. 2, pp. 119-131, Jul. 1999. https://doi.org/10.1016/S1383-5866(98)00117-8
J. S. Carey; W. K. Lewis, “Studies in Distillation. Liquid-Vapor Equilibria of Ethyl Alcohol-Water Mixtures,” Ind. Eng. Chem, vol. 24, no. 8, pp. 882-883, Aug. 1932. https://doi.org/10.1021/ie50272a011
M. A. S. S. Ravagnani; M. H. M. Reis; R. Maciel Filho; M. R. Wolf Maciel, “Anhydrous ethanol production by extractive distillation: A solvent case study” Process Safety and Environmental Protection, vol. 88, no. 1, pp. 67-73, Jan. 2010. https://doi.org/10.1016/j.psep.2009.11.005
M.E.T. Alvarez; E. B. Moraes; J. C. Rodrigues; A. J. Bonon; M. R. Wolf Maciel, “Evaluation of the batch distillation process in the ethanol production” Computer Aided Chemical Engineering, vol. 30, pp. 632-636, 2012. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-59519-5.50127-1
L. A. Forero; J. A. Velásquez, “A generalized cubic equation of state for non-polar and polar substances,” Fluid Phase Equilibria., vol. 418, pp. 74-87, Jun 2016. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2015.09.045
J. A. Velásquez; L. A. Forero, “Complemento en MS. Excel ® para consulta de propiedades termodinámicas de sustancias puras.,” Investigaciones aplicadas, vol. 2, no. 2, pp. 23-29, 2008. https://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=2884839
C. J. Geankoplis, “Procesos de transporte y operaciones unitarias”, 3 ed., México: Compañía editorial Continental, 1998. https://fenomenosdetransporte.files.wordpress.com/2008/05/geankopolis.pdf
R. E. Treybal, Mass-Transfer Operations, 2 Ed, McGraw-Hill Book Company, 1980.
L. Kong; C. T. Maravelias, “From graphical to model-based distillation column design: A McCabe-Thiele-inspired mathematical programming approach,” Process Systems Engineering, vol. 65, no. 11, pp. 1-21. Nov. 2019. https://doi.org/10.1002/aic.16731
C. A. Henao, Simulación y evaluación de procesos químicos, Medellín: Universidad Pontificia Bolivariana, 2006.
A. Anderko, “4 Cubic and generalized van der waals equations,” Experimental Thermodynamics, vol. 5, pp. 75-126, 2000. https://doi.org/10.1016/S1874-5644(00)80015-6
L. F. Cardona; L. A. Forero; J. A. Velásquez, “Modelamiento de la Viscosidad con Base en una Ecuación Cúbica TP del Tipo Peng-Robinson,” Información tecnológica, vol. 30, no. 4, pp. 259-272, Aug. 2019. http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642019000400259
T. Lopez-Arenas; S. S. Mansouri; M. Sales-Cruz; R. Gani; E. S. Pérez-Cisneros, “A Gibbs energy-driving force method for the optimal design of non-reactive and reactive distillation columns,” Computers and Chemical Engineering, vol. 128, pp. 53-68, Sep. 2019. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2019.05.024
C. A. Faúndez; J. O. Valderrama, “Phase equilibrium modeling in binary mixtures found in wine and must distillation,” Journal of Food Engineering, vol. 65, no. 4, pp. 577-583, Dec. 2004. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2004.02.023
L. A. Díaz Montes; A. F. Merchán Galindo; J. A. Velasquez Jimenez; C. A. Rodríguez Cabrera, “Complemento en MS-EXCEL® para la solución de sistemas de ecuaciones diferenciales ordinarias,” Investigaciones Aplicadas, vol. 3, no. 1, pp. 34-43, 2009. https://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=3219154
G. P. Distefano, “Mathematical modeling and numerical integration of multicomponent batch distillation equations,” AIChE Journal, vol. 14, no. 1, pp. 190-199, Jan. 1968. https://doi.org/10.1002/aic.690140132
S. C. Chapra; R. P. Canale, Métodos Numéricos para ingenieros, McGraw-Hill, 2007. https://ayudasingenieria.com/files/METODOS_NUMERICOS/chapra.pdf
T. Mejdell; S. Skogestad, “Composition Estimator in a Pilot-Plant Distillation Column Using Multiple Temperatures,” Ind. Eng. Chem. Res. vol. 30, no. 12, pp. 2555-2564, Dec. 1991. https://doi.org/10.1021/ie00060a008
V. Gomis; R. Pedraza; M. D. Saquete; A. Font; J. Garcia Cano, “Ethanol dehydration via azeotropic distillation with gasoline fractions as entrainers: A pilot-scale study of the manufacture of an ethanol–hydrocarbon fuel blend,” Fuel, vol. 139, pp. 568-574, Jan. 2015. http://dx.doi.org/10.1016/j.fuel.2014.09.041
J. K. Johnsen, “Robust Distillation Control – Application of H-infinity Loop Shaping,” Technical Cybernetics, Norwegian University of Science and Technology, 2005. https://www.semanticscholar.org/paper/Robust-Distillation-Control-%E2%80%93-Application-of-Loop-Johnsen/fc9a6ff8938af80c02a3faaa4d8971c268cd4cf1
A. Vidal, “Diseño de un Esquema FDI-FTC mediante Modos Deslizantes para Fallas en Componentes y Actuador Aplicación a la Columna de Destilación,” (Tesis de Maestría), Departamento de Ingeniería Electrónica. Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico, México, 2010. https://www.semanticscholar.org/paper/Robust-Distillation-Control-%E2%80%93-Application-of-Loop-Johnsen/fc9a6ff8938af80c02a3faaa4d8971c268cd4cf1
Y. Wang; C. Gong; J. Sun; H. Gao; S. Zheng; S. Xu, “Separation of ethanol/water azeotrope using compound starch-based adsorbents,” Bioresource Technology, vol. 101, no. 15, pp. 6170-6176, 2010. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.02.102
F. D. Mayer; R. S. Hoffmann; R. Hoffmann, “An innovative project involving an appropriate hybrid distillation system for small-scale ethanol fuel production,” Chemical Engineering Communications, vol. 200, no. 4, pp. 563-574, Dec. 2013. https://doi.org/10.1080/00986445.2012.717315
Descargas
Métricas
