Optimización de procesos híbridos: destilación/membranas

Abstract

Pervaporation is a well-known membrane based separation process with major applications in the dehydration of organic compounds, particularly those which form azeotropic mixtures with water. Unfortunately, the adoption of membrane units as a standalone process has resulted economically successful only for a limited number of cases of industrial applications. However, the coupling of a pervaporation unit with conventional separation processes has enabled, in many cases, the resulting hybrid processes to be economically feasible. Such is the case of the distillation-pervaporation hybrid process which benefits from the special advantages of each process. Moreover, this hybrid process allows separations that otherwise would be thermodynamically unfeasible while presenting advantages from the energetic point of view respect to conventional separation processes like distillation. Technical and economic feasibility of the distillation-pervaporation hybrid process applied to four separation cases is studied in this PhD thesis. The case studies focus on relevant industrial applications; namely, on bioethanol and polyvinyl alcohol production and on waste solvent treatment technologies for the recovery of isopropyl alcohol and acetone from their mixtures with water. In order to make a proper comparison among the different process alternatives considered in each application case, the performance of each alternative is assessed economically considering the separation cost of the overall process. Optimal designs corresponding to each process alternative are obtained resorting to an optimization methodology based on conceptual models of the operation units involved. For the waste solvent treatment alternatives, the environmental impact of the recovery process and the incineration either in a conventional incinerator or in a cement kiln is taken into account by performing the corresponding Life Cycle Analysis.

La pervaporación es un proceso de separación basado en membranas con importantes aplicaciones en la deshidratación de compuestos orgánicos, en particular los que forman azeótropos con agua. Desafortunadamente, el uso de membranas como una unidad de proceso independiente ha resultado económicamente satisfactorio para un número muy reducido de casos de interés industrial. Sin embargo, el acople de una unidad de pervaporación con procesos convencionales de separación ha permitido en muchos casos que el proceso híbrido resultante sea económicamente viable. Tal es el caso del proceso híbrido destilación-pervaporación, el cual se beneficia de las ventajas especiales de cada proceso. Más aún, este proceso híbrido permite alcanzar separaciones que de otro modo serian termodinámicamente inviables a la vez que presenta ventajas desde el punto de vista energético respecto de procesos convencionales como la destilación. En esta tesis doctoral se estudia la factibilidad técnica-económica del proceso híbrido destilación-pervaporación aplicado a cuatro diferentes casos de separación. Los casos de estudio se centran en aplicaciones industriales relevantes, a saber, la producción de bioetanol y alcohol polivinílico y tecnologías de tratamiento de solventes residuales para la recuperación de isopropanol y acetona de su mezcla con agua. A fin de realizar una adecuada comparación entre las distintas alternativas de proceso consideradas en cada caso de aplicación se propone que el desempeño de cada alternativa sea valorado considerando el costo total de separación. Los diseños óptimos correspondientes a cada alternativa se obtienen mediante una metodología de optimización basada en el modelado conceptual de las operaciones unitarias involucradas. Para los casos de tratamiento de solventes residuales se tiene en cuanta además la repercusión sobre el medio ambiente del proceso de recuperación y la incineración, ya sea en un incinerador convencional o en un horno de cemento, mediante la realización del análisis del ciclo de vida correspondiente.