VALIDACION EXPERIMENTAL DE MODELO DE COLUMNA DE DESTILACIÓN REACTIVA CON PARED DIVIDIDA

Abstract

La integración de procesos representa uno de los mayores atractivos dentro de la ingeniería química. Entre los beneficios de la integración de procesos se encuentran la reducción de equipos y tamaño de las plantas, cómo también mejoras en términos de eficiencia. Dentro de estos procesos de integración, se encuentra la integración de operaciones de reacción y destilación, siendo los principales aparatos la “Columna de Destilación Reactiva” y “Columna de Destilación Reactiva con Pared Dividida” (RDWC), los cuales integran reacción y destilación en una sola unidad. Sin embargo, parte de los desafíos a resolver que implican la integración de procesos es remover las incertidumbres en términos de modelación, operación, control y diseño.En vista de lo anterior, la presente tesis busca reducir las interrogantes asociadas al modelamiento de la RDWC, particularmente en estado estacionario. La hipótesis a ser validada considera que un modelo basado en etapas de equilibro es suficiente para predecir el comportamiento de la RDWC en estado estacionario. Para dar respuesta a la hipótesis planteada, resultados experimentales que puedan ser comparados con las predicciones del modelo son necesarios para confirmar si este es adecuado. Considerando lo anterior, distintos experimentos deben ser ejecutados para evaluar la calidad el modelo bajo distintas condiciones de operación, e.g. reacción, separación, distribución de los compuestos y composición de los productos.El modelo de simulación empleado fue desarrollado en Aspen Custom Modeller® por el Instituto de Diseño de Procesos y Plantas de la Universidad Técnica de Hamburgo (TUHH). Un total de 8 experimentos fueron ejecutados en la planta piloto perteneciente a la misma Universidad, equivalentes a 80 horas de operación de la columna. La comparación de los resultados de la simulación con los resultados generados experimentalmente permitió dar respuesta a la hipótesis planteada.En particular, los perfiles de temperatura, concentración y composiciones de los productos predichos por el modelo fueron comparados y analizados con los datos experimentales a fin de constatar las diferencias. Los resultados muestran una correcta predicción de los perfiles de temperatura y composición de los productos. En cada experimento, el error medio cuadrático para las diferencias de temperatura entre simulación y experimento fueron inferiores a los 2 °C. La máxima variación de los flujos molares ascendió a un 2.4 mol %. Por otro lado, las máximas diferencias en la composición de los productos alcanzaron valores de 1.6, 4 y 10 w % para el destilado, fondo y corriente lateral respectivamente. Considerando lo anterior, un modelo basado en etapas de equilibrio es suficiente para predecir adecuadamente el comportamiento de una RDWC en estado estacionario. No obstante, también fue posible concluir que la discretización de la zona reactiva del modelo dista del óptimo, lo cual impide el correcto cálculo de la conversión de los reactantes especialmente bajo fuertes variaciones en el perfil de concentración. Además, las diferencias entre experimento y simulación son fuertemente afectadas por pequeños cambios en la energía administrada por el rehervidor, lo cual puede implicar una falta de ajuste en la distribución del vapor y el líquido a lo largo de los lados de la pared que divide la columna.Adicionalmente, el trabajo desarrollado permitió mejorar la determinación del coeficiente de transferencia de calor en el submodelo de pérdidas al medioambiente. Los resultados del análisis realizado confirmaron que un valor cercano a 1.5 W/m2/K puede ser adoptado.Resumiendo, la siguiente tesis aporta significativamente en la interrogante referida al modelamiento de una RDWC. Gracias al trabajo desarrollado, se puede concluir que un modelo de etapas de equilibrio es suficiente para modelar una RDWC en estado estacionario. No obstante, si se busca mejorar la calidad del modelo las siguientes recomendaciones pueden ser seguidas: Primero, una mayor resolución en la discretización de la zona reactiva del modelo de la RDWC. Asimismo, se puede complementar la precisión en esta zona mediante la formulación de un modelo que considere la transferencia de materia entre la fase líquida y gaseosa. En términos experimentales, un mayor número de zonas de muestreo en la zona reactiva mejorarían el detalle de los análisis comparativos entre simulación y experimento. Adicionalmente, sistemas de reacción diferentes podrían ser probados para ampliar el espectro de validez del modelo empleado.