Diseño y simulación de un sistema de destilación con cambio de presión para la separación de mezclas alcohol + alcano

Abstract

RESUMEN: En este trabajo se presenta una metodología para el diseño de los procesos basados en la destilación con cambio de presión (PSD) para la separación de azeótropos homogéneos binarios. Se estudió la separación de las mezclas azeotrópicas alcohol + alcano: etanol + heptano, etanol + hexano y metanol + hexano. Se modeló el equilibrio de fases (ELV) de las mezclas propuestas a 1 atm empleando la ecuación de estado de Peng-Robinson y las reglas de mezclado de Wong y Sandler en combinación con el modelo de solución de UNIQUAC. La desviación absoluta promedio (DAP) resultante de las mezclas fue del 4 % en composición. Aprovechando la bondad que tienen dichas reglas de mezclado para extrapolar cálculos precisos del ELV se realizó una predicción del equilibrio de fases a 7 atm empleando los parámetros de interacción binaria previamente obtenidos a 1 atm. Los resultados del modelo de UNIFAC fueron comparados con el modelo PR-WS-UNIQUAC obteniendo un DAP de 5.5 % en composición. Debido a un problema de convergencia al emplear el modelo de PR-WS-UNIQUAC en el simulador Aspen Plus v7.2 se eligió el modelo de Redlich-Kwong-Wilson para simular el proceso. El modelo de RK-Wilson presentó un DAP de 6 % en composición respecto del modelo de PR-WS-UNIQUAC. Se modelaron algunas propiedades físicas como densidad, viscosidad, conductividad térmica y tensión superficial. El procedimiento realizado fue correlacionar las propiedades de los compuestos puros y posteriormente emplear una regla de mezclado para determinar la propiedad de la mezcla. El diseño del proceso y la optimización heurística del mismo se realizó con base al flujo de calor total en los rehervidores. Esto permitió establecer la presión de operación de la columna de alta presión, ya que la presión de operación de la columna de baja presión se eligió ser de 1 atm. El proceso fue simulado en estado estacionario mediante el modelo de etapa en equilibrio y el modelo de etapa en no-equilibrio. Las purezas de los productos resultaron ser del 99.9 y aproximadamente 95 % molar para el modelo de etapa en equilibrio y no-equilibrio respectivamente. Debido a que el proceso opera a dos presiones diferentes se realizó la integración de calor del proceso para disminuir los costos de operación y que el proceso sea energéticamente eficiente. Dicha integración de calor fue de tipo “parcial”, ya que se empleó un intercambiador de calor condensador/rehervidor para optimizar la transferencia de energía. El ahorro de energía en el proceso fue determinado por comparación con base al consumo de energía de los diseños con y sin integración de energía. Para la separación de la mezcla etanol + heptano fue del 33% y para la separación de la mezcla etanol + hexano del 36%. Al realizar la integración de calor se perdió un grado de libertad en el proceso, por lo cual se empleó un rehervidor auxiliar o condensador auxiliar. Esto fue simulado en estado dinámico a través del simulador de procesos Aspen Plus Dynamics v7.2 empleando el modelo de etapa en equilibrio, y se demostró que el proceso es estable empleando una sencilla estructura de control que consta de:  Control de nivel en tanque de reflujo y base de la columna  Control de presión en ambas columnas  Control de flujo de alimentación  Control de temperatura en ambas columnas  Control de relación de reflujo en ambas columnas Para mantener la pureza de los productos bastó con emplear un control de temperatura en ambas columnas y un control de relación de reflujo. Este último fue determinado en base al análisis de sensibilidad realizado, donde la relación de reflujo de ambas columnas fue manipulada hasta encontrar el mínimo consumo de energía del proceso. ABSTRACT: In this work, a methodology is presented in order to design a process based on pressure swing distillation (PSD) for the separation of binary mixtures containing homogeneous azeotropes. For this purpose, the separation of alcohol-alkane azeotropic mixtures were considered: ethanol + heptane, ethanol + hexane, and methanol + hexane. The phase equilibrium (VLE) was modeled for the mixtures considered here at 1 atm using the Peng-Robinson equation of state along with Wong-Sandler mixing rules in combination with the solution model of UNIQUAC. The resulting average absolute deviation for all mixtures was 4%. Based on the abilities of the Wong-Sandler mixing rules in properly extraploting VLE data at higher pressures, a prediction of phase equilibrium at 7 atm was made using previously obtained model parameters at 1 atm. These results were compared to those obtained from the UNIFAC method; the azeotropic compositions at 7 atm obtained from both approaches were comparable. The thermophysical properties of the mixtures were also modeled by first correlating the pure-component properties and then by means of suitable mixing rules, the mixture property was finally determined. The design of the process along with its heuristic optimization were carried out based solely on the total heat flow in the reboiler. This allows to establish the operating pressure of the distillation column with the higher pressure since the operating pressure corresponding to the low-pressure column was set to 1 atm. The process was simulated under steady-state conditions using both the stage-equilibrium model and the rate-based model (non-equilibrium approach). The purities of the products came out to be 99.9% , and around 95% (molar basis) using the stage-equilibrium model, and the non-equilibrium model, respectively. Since the process uses two different operating pressures, a heat integration of the process was performed in order to decrease the operating cost thus yielding a energetically-efficient process. Such a heat integration was of the “partial” type since a condenser/reboiler heat exchanger was used to optimize the energy transfer. The resulting energy savings from the optimized process were of the order of: 33% for the separation of the ethanol-heptane mixture, and 36% for the separation of the ethanol-hexane mixture. When performing the heat integration, one degree of freedom was lost from the process, thus causing to use an auxiliary reboiler or an auxiliary condenser. All this was simulated under dynamic-state conditions demonstrating that the process is indeed stable using a simple control structure comprising:  Level control in the reflux drum and the column bottoms.  Pressure control in both columns  Control of feed flow  Temperature control in both columns  Reflux-ratio control in both columns In order to mantain the purity of the products, two controls were sufficient: temperature control in both columns and a reflux-ratio control. The latter was determined based on a previously performed sensitivity analysis where the reflux ratio in both columns was manipulated in such a way to minimize energy requeriments of the process.