Resumen

Se realizó el análisis matemático y la simulación de una columna de rectificación discontinua utilizando una estrategia operativa durante la puesta en marcha antes de alcanzar un estado pseudoestable en funcionamiento discontinuo. El modelo matemático se formuló centrándose en el estado de equilibrio (ES) e implementando las ecuaciones MESH (M: Balance de masa, E: Termodinámica de equilibrio, S: Relaciones estequiométricas, H: Entalpía o balance térmico) para proporcionar soluciones utilizando el método de Thomas y los algoritmos de Wang-Henke acoplados internamente al método Runge-Kutta de cuarto orden. Los resultados fueron validados con datos experimentales de una columna de destilación a escala piloto utilizando un sistema etanol-agua con un comportamiento de equilibrio descrito por los modelos termodinámicos UNIQUAC Functional-group Activity Coefficients (UNIFAC) y Predictive Soave-Redlich-Kwong (PSRK) con un error global del 1,84%. Las concentraciones molares de etanol presentaron desviaciones respecto a las predicciones de los modelos matemáticos del 1,51% al 0,02%, con un error medio global del 0,48%. Para el perfil de temperatura de la columna se obtuvo un error medio del 0,055%, lo que demuestra la eficacia de la solución y su capacidad de convergencia. La solución basada en el método de Thomas y en los algoritmos de Wang-Henke acoplados al método Runge-Kutta permitió describir el comportamiento y las variables de todas las etapas de la columna de destilación. El funcionamiento a reflujo total desde el arranque evita el desperdicio de producto y permite la estabilización de las variables de estado, como la temperatura y la composición molar.

1. INTRODUCCIÓN

La destilación es una de las operaciones más utilizadas en entornos industriales. La destilación por lotes o tandas se utiliza frecuentemente en la industria farmacéutica y en diversos procesos industriales a mediana y pequeña escala. Por tanto, es de gran interés para una variedad de sectores industriales [ 1 ].

La simulación de columnas de destilación es compleja debido al comportamiento dinámico desde el inicio hasta el momento en que se alcanza una composición definida del producto. Durante el transcurso de la destilación, el sistema es inestable y variable. A escala industrial, esta variabilidad e inestabilidad da como resultado una gran cantidad de energía y producto desperdiciados con muchos períodos no productivos. Varios estudios teóricos han intentado reducir el tiempo de inicio de la destilación, el consumo de energía y el desperdicio de producto. Algunos de ellos utilizan métodos rigurosos de una etapa a la siguiente en los que relacionan propiedades físicas y geométricas combinadas con ecuaciones hidrodinámicas y modelos de calibración para obtener resultados rápidos y confiables [ 2 - 5 ].

• Materias:Análisis termodinámico Análisis Matemático Métodos de simulación
• Subjects:Thermodynamic analysis Mathematical Analysis Simulation methods
• Palabras claves:Método PSRK; Algoritmo de Thomas; Modelo UNIFAC; Modelo UNIQUAC; Algoritmo de Wang-Henke
• Keywords:PSRK method; Thomas algorithm; UNIFAC model; UNIQUAC model; Wang-Henke algorithm