Modelado, simulación, síntesis y optimización de procesos de separación basados en destilación

Abstract

The main objective of this work in the area of batch distillation is to develop models in order to evaluate new alternatives of separation (design, synthesis and simulation of processes) and to optimize its performance (dynamic optimization). In continuous distillation the purpose is to develop a procedure of initialization of decision variables involved in the optimum synthesis of complex distillation systems. In both cases the models are based in reversible distillation, which theory is commonly referred as “pinch theory”. The modeling of this type of columns gives enormous information for the synthesis of these processes because it makes possible reliable estimations of minimum energy demand that entails each column of a sequence (continuous distillation) or each stage that forms the discontinuous operation of one or more distillation columns. The theory of reversible distillation makes possible the estimations of feasible products (continuous distillation) or the maximum recoveries of distillate products. The minimum energy demand and feasible products are often affected by non-idealities of mixtures (solutions) that entail the appearance of “tangent pinch points” and distillation boundaries. These phenomenons are studied using the analysis of bifurcations of reversible profiles. Thus, “pithfork” bifurcations in reversible profiles allow the evaluation of maximum feasible separation while “saddle node” bifurcations are associated to the appearance of “tangent pinch points”, which affects the minimum energy demand.

El objetivo de este trabajo en el área de la destilación discontinua es desarrollar modelos de estos equipos híbridos a fin de evaluar nuevas alternativas de separación (diseño, síntesis y simulación de procesos) así como la optimización de su performance (optimización dinámica). En destilación continua el objetivo es el desarrollo de un procedimiento de inicialización de las variables de decisión involucradas en la síntesis óptima de sistemas de destilación complejos. En ambos casos los modelos se basan en la destilación termodinámicamente reversible cuya teoría es comúnmente referida como teoría de “pinch”. El modelado de este tipo de columnas ofrece una enorme información para la síntesis de estos procesos por cuanto posibilita estimaciones confiables de la mínima demanda de energía que conlleva cada una de las columnas de una secuencia (destilación continua) o de cada una de las etapas que conforman la operación discontinua de una ó más columnas de destilación. La teoría de la destilación reversible posibilita estimar los productos factibles (destilación continua) o las máximas recuperaciones de productos destilados. La mínima demanda de energía y los productos factibles de ser obtenidos se ven afectados por las no idealidades de las mezclas (soluciones) que conllevan la aparición de “pinch” tangenciales y fronteras de destilación. Estos fenómenos son estudiados mediante el análisis de bifurcaciones de los perfiles reversibles. Así, las bifurcaciones “pitchfork” en los perfiles reversibles permitirán evaluar la máxima separación factible mientras que bifurcaciones del tipo “saddle-node” predecirán la aparición de “pinch” tangenciales que afectan la mínima demanda de energía.