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ESTUDIO DE CASO: OPERACIÓN ÓPTIMA DE COLUMNAS DE DESTILACIÓN ADIABÁTICA Y DIABÁTICA BASADA EN ANÁLISIS DE EXERGÍA JUAN MANUEL TORRES RAMÍREZ UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA BOGOTÁ, 2016

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Page 1: ESTUDIO DE CASO: OPERACIÓN ÓPTIMA DE COLUMNAS DE

ESTUDIO DE CASO: OPERACIÓN ÓPTIMA DE COLUMNAS DE DESTILACIÓN

ADIABÁTICA Y DIABÁTICA BASADA EN ANÁLISIS DE EXERGÍA

JUAN MANUEL TORRES RAMÍREZ

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

BOGOTÁ, 2016

Page 2: ESTUDIO DE CASO: OPERACIÓN ÓPTIMA DE COLUMNAS DE

ESTUDIO DE CASO: OPERACIÓN ÓPTIMA DE COLUMNAS DE DESTILACIÓN

ADIABÁTICA Y DIABÁTICA BASADA EN ANÁLISIS DE EXERGÍA

JUAN MANUEL TORRES RAMÍREZ

Proyecto de grado para optar por el título de:

Ingeniero Químico

Asesor

Jorge Mario Gómez Ramírez

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

BOGOTÁ, 2016

Page 3: ESTUDIO DE CASO: OPERACIÓN ÓPTIMA DE COLUMNAS DE

Contenido

Resumen ______________________________________________________________________ 4

Introducción ___________________________________________________________________ 5

1. Objetivos __________________________________________________________________ 7

1.1. Objetivo general _________________________________________________________ 7

1.2. Objetivos específicos _____________________________________________________ 7

2. Estado del arte _____________________________________________________________ 8

3. Modelo matemático ________________________________________________________ 10

3.1. Columna adiabática ____________________________________________________ 10

3.2. Columna diabática _____________________________________________________ 12

3.3. Análisis de grados de libertad ____________________________________________ 12

4. Formulación del problema de optimización _____________________________________ 14

4.1. Conjuntos _____________________________________________________________ 14

4.2. Parámetros ____________________________________________________________ 14

4.3. Variables _____________________________________________________________ 14

4.4. Restricciones __________________________________________________________ 15

4.5. Función objetivo _______________________________________________________ 16

5. Estrategia de solución ______________________________________________________ 18

6. Resultados y análisis _______________________________________________________ 19

7. Conclusiones ______________________________________________________________ 25

8. Perspectivas ______________________________________________________________ 26

Bibliografía ___________________________________________________________________ 27

Anexo A: Cálculo de propiedades termodinámicas y relaciones de equilibrio _____________ 29

Page 4: ESTUDIO DE CASO: OPERACIÓN ÓPTIMA DE COLUMNAS DE

4

Resumen

Partiendo del caso de estudio de la operación de una columna adiabática de destilación extractiva

para la producción de etanol carburante, usando como agente separador glicerol, se aplica el

concepto de análisis de exergía para el desarrollo de un modelo de programación no-lineal

(NLP), cuyo objetivo es el de minimizar las pérdidas de exergía a lo largo de la columna. Este

análisis es importante en el estudio de columnas de destilación ya que permite evaluar la

eficiencia termodinámica del sistema, identificando, por medio del perfil de pérdida de exergía,

posibles modificaciones al diseño como lo son el uso de intercambiadores laterales en las zonas

de stripping, extracción y rectificación, o el acondicionamiento de las corrientes de

alimentación. Al permitir el intercambio de calor en cada etapa de separación dentro de la

columna extractiva (destilación diabática), los resultados obtenidos muestran una mejora en la

eficiencia termodinámica del sistema como consecuencia de la minimización de las pérdidas a

lo largo de la columna.

Page 5: ESTUDIO DE CASO: OPERACIÓN ÓPTIMA DE COLUMNAS DE

5

Introducción

La destilación es una de las operaciones unitarias que consume una mayor cantidad de energía

tanto en las refinerías como en las plantas de proceso, y que al mismo tiempo presenta una

eficiencia energética baja. Para la destilación se estima que la eficiencia de la segunda ley está

solamente alrededor del 5-20% (Schaller, Hoffmann, Siragusa, Salamon, & Andresen, 2001).

En los procesos de destilación participan dos fenómenos principales: la transferencia de calor,

para llevar a cabo la vaporización y la condensación, y la transferencia de masa, para la

separación de la mezcla. En la destilación convencional o adiabática, el calor pasa a través del

rehervidor, luego por la columna donde se hace el trabajo útil para llevar a cabo la separación,

y finalmente se recupera en el condensador a una temperatura más baja de la que fue introducida.

Esto significa que la destilación está asociada con una alta producción de entropía y por lo tanto

con la degradación de la energía.

Los procesos de destilación, en general, operan bajo condiciones de irreversibilidad destruyendo

la exergía (Zemp, de Faria, & Oliveira Maia, 1997). Por definición, la exergía es el máximo

trabajo útil que puede obtenerse durante un proceso que lleva al sistema a un equilibrio

termodinámico con sus alrededores (Haragovics & Mizsey, 2012a). Una columna de destilación

donde no existen cambios irreversibles es considerada ideal. Para lograr la idealidad es necesario

que exista equilibrio en cada punto de la columna, lo cual implica un número infinito de etapas,

que no haya caída de presión, y que la transferencia de calor esté distribuida a lo largo de

columna (Haragovics & Mizsey, 2012b), esto último es característico de las columnas

diabáticas.

La destilación diabática es un proceso de separación en el que el calor se transfiere en cada una

de las etapas dentro de la columna, en comparación de las columnas adiabáticas donde el calor

se suministra sólo en el rehervidor y se extrae en el condensador. La ineficiencia termodinámica

de la destilación convencional se debe a que el calor es suministrado a la máxima temperatura

de la columna (temperatura del rehervidor) y removido a la más baja (temperatura del

condensador), de modo que la energía es degradada en todo el rango que comprende estas

temperaturas. Esta es la razón para la alta tasa de producción de entropía en los procesos de

destilación. La redistribución de los requerimientos de calor a lo largo de la columna resulta en

una menor tasa de producción de entropía (Schaller et al., 2001).

El análisis de exergía tiene en consideración las irreversibilidades y expresa que diferentes

formas de energía, como calor y el trabajo, no son equivalentes; permite observar que el calor

se degrada de altas a bajas temperaturas; determina la eficiencia termodinámica de un sistema,

dado que muestra información sobre la conversión de calor suministrado a trabajo útil de

separación e identifica el desperdicio de energía a través de las pérdidas de exergía (Kencse &

Mizsey, 2010). Cuanto más grandes sean las pérdidas de exergía, más grande es la ineficiencia

energética del sistema. La baja eficiencia de la destilación es el resultado de la diferencia entre

la energía perdida y el trabajo útil de separación. El análisis de exergía puede ser aplicado para

examinar procesos de destilación complejos y localizar secciones de procesos donde las pérdidas

de exergía son grandes y mejoras son posibles (Haragovics & Mizsey, 2012b).

Page 6: ESTUDIO DE CASO: OPERACIÓN ÓPTIMA DE COLUMNAS DE

6

A partir del concepto de destilación diabática explicado anteriormente junto con el análisis de

exergía, este trabajo desarrolla un modelo de programación no-lineal (NLP) para la

minimización de pérdidas de exergía en columnas de destilación extractivas, empleando como

caso de estudio la producción de etanol carburante, usando glicerol como agente separador.

Algunos simuladores de procesos comerciales como Aspen Plus® incluyen herramientas

capaces de llevar a cabo análisis térmicos e hidráulicos de columnas de destilación. El análisis

térmico es útil en la identificación de mejoras en el consumo de energía y eficiencia. Estas

mejoras incluyen modificaciones en la localización de la alimentación, modificaciones en la

relación de reflujo, acondicionamiento del alimento, y el uso de condensadores o rehervidores

laterales («AspenTech», s.f.). El modelo matemático propuesto para la minimización de

pérdidas de exergía es verificado comparando, para el caso de estudio, los resultados obtenidos

en GAMS con los obtenidos en Aspen Plus® utilizando la herramienta descrita anter iormente.

El perfil de pérdidas de exergía, así como el flujo y la pureza del destilado, y las cargas de calor

en cada etapa de la columna son considerados como las principales variables para el estudio y

la evaluación de las configuraciones propuestas.

El trabajo está divido en ocho secciones en donde las dos primeras corresponden a la

contextualización de las columnas de destilación diabáticas e importancia del análisis exergético

en el estudio de columnas de destilación; la tercera, la formulación del modelo matemático que

describe el comportamiento de la columna de destilación extractiva; la cuarta, la formulación

del problema de optimización para la minimización de pérdidas de exergía para las columnas

adiabática y diabática; la quinta, la estrategia de solución de los problemas de optimización

propuestos; la sexta, la presentación y análisis de los resultados obtenidos para cada una de las

configuraciones propuestas; y por último, la séptima y octava, la presentación de conclusiones

y perspectivas para el trabajo futuro.

Page 7: ESTUDIO DE CASO: OPERACIÓN ÓPTIMA DE COLUMNAS DE

7

1. Objetivos

1.1. Objetivo general

Desarrollar un modelo matemático de programación no lineal para minimizar las pérdidas de exergía

en una columna diabática de destilación extractiva para la producción de etanol carburante, utilizando

glicerol como agente de separación.

1.2. Objetivos específicos

1. Modelar una unidad de separación de etanol tanto adiabática como diabática por medio de

expresiones termodinámicas, balances de materia y energía, y de equilibrio químico.

2. Determinar la cantidad de calor requerida en una columna adiabática. Por medio de

optimización numérica, determinar la cantidad de calor requerido o que debe ser removido

en cada una de las etapas de una columna de destilación diabática para la obtención de etanol.

3. Comparar las pérdidas de exergía para los procesos de destilación adiabática y diabática para

una columna de separación de producción de etanol optimizada.

4. Analizar el comportamiento y las eficiencias de los dos tipos de diseño.

Page 8: ESTUDIO DE CASO: OPERACIÓN ÓPTIMA DE COLUMNAS DE

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2. Estado del arte

Trabajos previos sobre columnas de destilación diabática han estudiado el funcionamiento

óptimo de estos sistemas, en su mayoría, para mezclas binarias, basado principalmente en la

minimización de la producción de entropía. Muy pocos han tratado el problema de la operación

de columnas de destilación diabática para separaciones de múltiples componentes con función

objetivo en términos exegéticos. La Tabla 1 muestra un resumen de los principales trabajos

enfocados en el estudio y optimización de columnas de destilación bajo análisis de exergía.

En este trabajo, se presenta una modificación al modelo propuesto por Nova-Rincón, et al.

(2015) para la minimización de pérdidas de exergía en columnas de destilación extractiva.

Mientras que los autores calculan la exergía de las corrientes de calor con base en la temperatura

del flujo de servicio correspondiente al intercambiador lateral de cada etapa de separación; en

este trabajo se realiza el cálculo de la exergía de estas corrientes con base en el trabajo de Soares

Pinto, Zemp, Jobson, & Smith (2011), donde éste se hace teniendo en cuenta la temperatura de

cada etapa. Con esta aproximación y considerando las propiedades de las sustancias líquidas

para los cálculos de las propiedades termodinámicas, se busca mejorar la calidad del modelo de

optimización.

Del mismo modo en este trabajo se incluye el cálculo de la eficiencia termodinámica de los

sistemas de destilación presentada por diferentes autores como Demirel (2004), Kencse &

Mizsey (2010), Benyounes, Shen, & Gerbaud (2014), para medir la fracción del total de la

exergía que se introduce al sistema que no se pierde a causa de las irreversibilidades del proceso.

Tabla 1. Trabajos previos en optimización de sistemas de destilación diabáticos y análisis de exergía

Año Autor(es) Mezcla

estudiada Objetivo Configuración del sistema

1996

(Le Goff,

Cachot, &

Rivero, 1996)

Amoniaco-

Agua

Minimización

de entropía

El rehervidor y condensador se sustituyen

por dos intercambiadores de calor

integrados en la propia columna. La

eficiencia energética es estudiada.

2000

(Andersen,

Siragusa,

Andresen,

Salamon, &

Jørgensen,

2000)

2-

propanol-

Metanol

Minimización

de entropía

Adición de intercambiadores internos a la

columna. La producción de entropía es

calculada para diferentes grados de

separación de los intercambiadores.

2001 (Ricardo

Rivero, 2001)

Etanol-

Agua

Minimización

de pérdidas de

exergía

Estudio por separado de las zonas de

rectificación y stripping para una columna

adiabática y diabática. La distribución

óptima de los flujos de calor dentro de la

columna es obtenida.

Page 9: ESTUDIO DE CASO: OPERACIÓN ÓPTIMA DE COLUMNAS DE

9

2004

(de Koeijer,

Røsjorde, &

Kjelstrup,

2004) Benceno-

Tolueno

equimolar

Minimización

de entropía

Columna de destilación con

intercambiadores de calor secuenciales. El

área total de intercambio de calor y su

distribución en la columna presentan un

efecto significativo en la producción de

entropía.

(Jimenez et al.,

2004)

Columna de destilación con

intercambiadores de calor en serie. Se

compara la cantidad de exergía que se pierde

mediante la circulación de un fluido en serie

en lugar de utilizar intercambiadores de

calor ajustables.

2010

(Anozie,

Osuolale, &

Aseeperi,

2010)

Benceno-

Tolueno Maximización

de eficiencia

(2da Ley)-

Exergo-

económica

Análisis de exergía, diseño de experimentos

y optimización fueron empleados en el

estudio. Un aumento en la eficiencia

corresponde a una disminución en los costos

de operación para las dos mezclas binarias

consideradas.

Metanol-

Agua

2012

(Ghazi,

Sotoodeh, &

Amidpour,

2012)

Etanol-

Agua

Exergo-

económica

Columna adiabática de destilación

modelada por medio de las ecuaciones

MESH. El costo de producción de etanol es

minimizado.

2015

(Nova-Rincón,

Ramos, &

Gómez, 2015)

Etanol-

Agua-

Glicerina

Minimización

de pérdidas de

exergía

Columna de destilación con

intercambiadores independientes en cada

etapa. La comparación de pérdidas de

exergía entre columnas diabática y

adiabática es realizada.

Page 10: ESTUDIO DE CASO: OPERACIÓN ÓPTIMA DE COLUMNAS DE

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3. Modelo matemático

3.1. Columna adiabática

Para realizar una optimización que minimice las pérdidas de exergía en una columna de destilación

adiabática es necesario modelar el equipo con base en ecuaciones fenomenológicas que la describan

de forma adecuada. El modelo de la columna de destilación considera las siguientes suposiciones:

Las dimensiones de cada etapa no son tenidas en cuenta.

La eficiencia de Murphee se supone constante e igual a 1.

La fase vapor es considerada gas ideal.

El modelo “non-random two-liquid” (NRTL) representa el comportamiento de la fase

líquida.

Las propiedades residuales son despreciables.

No hay caída de presión en la columna.

El proceso de destilación es modelado como una serie de etapas de separación en contra-corriente, el

cual se basa en las ecuaciones MESH (M: balances de materia, E: relaciones de equilibrio, S:

sumatorias de fracciones molares, H: balances de energía o entalpía). En cada etapa j los flujos de

líquido (𝐿𝑗−1, 𝐿𝑗), vapor (𝑉𝑗, 𝑉𝑗+1) y alimentación (𝐹𝑗), que entran y la salen se ponen en contacto hasta

alcanzar el equilibrio termodinámico a una temperatura 𝑇𝑗.

Para las relaciones de equilibrio se establece que las corrientes que salen de cada etapa j (𝐿𝑗, 𝑉𝑗) están

en equilibrio la una con la otra. De este modo, para cada componente i en cada etapa j, la composición

en la fase líquida (𝑥𝑖,𝑗) está relacionada con la de la fase vapor (𝑦𝑖,𝑗) por medio de la constante de

equilibrio (𝐾𝑖,𝑗). El modelo requiere el cálculo, para cada etapa j, de las entalpías para las fases líquida

(𝐻𝑗𝐿) y vapor (𝐻𝑗

𝑉), y para la alimentación (𝐻𝑗𝐹), para realizar los balances de energía. La Figura 1

muestra un esquema detallado de los flujos que hacen parte de una etapa de separación j para el caso

de la columna adiabática.

Figura 1. Esquema de una etapa de separación para la columna adiabática

Page 11: ESTUDIO DE CASO: OPERACIÓN ÓPTIMA DE COLUMNAS DE

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Si nc es el número de componentes en el sistema e 𝐼 = {1, … , 𝑛𝑐} el conjunto de componentes, nt el

número total de etapas en el sistema (incluidos rehervidor y condensador) y 𝐽 = {1, … , 𝑛𝑡} el conjunto

de etapas, donde los subconjuntos 𝐶𝑂𝑁𝐷 = {1}, 𝑅𝐸𝐵 = {𝑛𝑡}, y 𝑆𝑆 = {2, … , 𝑛𝑡 − 1}, representan el

condensador (etapa 1), rehervidor (etapa nt) y las etapas de separación entre el condensador y

rehervidor respectivamente, las ecuaciones que describen el modelo de la columna adiabática son:

Balances totales de materia:

𝑉𝑗+1 − 𝑉𝑗 + 𝐿𝑗−1 − 𝐿𝑗 + 𝐹𝑗 = 0, ∀𝑗 ∈ 𝑆𝑆 (𝟏)

𝑉𝑗+1 − 𝐿𝑗 (1 +1

𝑅𝑅) = 0, ∀𝑗 ∈ 𝐶𝑂𝑁𝐷 (𝟐)

−𝑉𝑗 + 𝐿𝑗−1 − 𝐿𝑗 = 0, ∀𝑗 ∈ 𝑅𝐸𝐵 (𝟑)

Balances por componentes:

𝑉𝑗+1 ∙ 𝑦𝑖,𝑗+1 − 𝑉𝑗 ∙ 𝑦𝑖,𝑗 + 𝐿𝑗−1 ∙ 𝑥𝑖,𝑗−1 − 𝐿𝑗 ∙ 𝑥𝑖,𝑗 + 𝐹𝑗 ∙ 𝑧𝑖,𝑗 = 0, ∀𝑖 ∈ 𝐼, 𝑗 ∈ 𝑆𝑆 (𝟒)

𝑉𝑗+1 ∙ 𝑦𝑖.𝑗+1 − 𝐿𝑗 (1 +1

𝑅𝑅) 𝑥𝑖,𝑗 = 0, ∀𝑖 ∈ 𝐼, 𝑗 ∈ 𝐶𝑂𝑁𝐷 (𝟓)

−𝑉𝑗 ∙ 𝑦𝑖,𝑗 + 𝐿𝑗−1 ∙ 𝑥𝑖,𝑗−1 − 𝐿𝑗 ∙ 𝑥𝑖,𝑗 = 0, ∀𝑖 ∈ 𝐼, 𝑗 ∈ 𝑅𝐸𝐵 (𝟔)

Relaciones de equilibrio:

𝑦𝑖,𝑗 = 𝐾𝑖,𝑗 ∙ 𝑥𝑖,𝑗, ∀𝑖 ∈ 𝐼, 𝑗 ∈ 𝐽 (𝟕)

𝐾𝑖,𝑗 =𝛾𝑖,𝑗 ∙ 𝑃𝑖,𝑗

𝑠𝑎𝑡

𝑃, ∀𝑖 ∈ 𝐼, 𝑗 ∈ 𝐽 (𝟖)

Sumatorias:

∑ 𝑥𝑖,𝑗

𝑖∈𝐶

= 1, ∀𝑗 ∈ 𝐽 (𝟗)

∑ 𝑦𝑖,𝑗

𝑖∈𝐶

= 1, ∀𝑗 ∈ 𝐽 (𝟏𝟎)

Balances de entalpía:

𝑉𝑗+1 ∙ 𝐻𝑗+1𝑉 − 𝑉𝑗 ∙ 𝐻𝑗

𝑉 + 𝐿𝑗−1 ∙ 𝐻𝑗−1𝐿 − 𝐿𝑗 ∙ 𝐻𝑗

𝐿 + 𝐹𝑗 ∙ 𝐻𝑗𝐹 = 0, ∀𝑗 ∈ 𝑆𝑆 (𝟏𝟏𝒂)

𝑉𝑗+1 ∙ 𝐻𝑗+1𝑉 − 𝐿𝑗 (1 +

1

𝑅𝑅) 𝐻𝑗

𝐿 + 𝑄𝑗 = 0, ∀𝑗 ∈ 𝐶𝑂𝑁𝐷 (𝟏𝟐)

−𝑉𝑗 ∙ 𝐻𝑗𝑉 + 𝐿𝑗−1 ∙ 𝐻𝑗−1

𝐿 − 𝐿𝑗 ∙ 𝐻𝑗𝐿 + 𝑄𝑗 = 0, ∀𝑗 ∈ 𝑅𝐸𝐵 (𝟏𝟑)

Page 12: ESTUDIO DE CASO: OPERACIÓN ÓPTIMA DE COLUMNAS DE

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3.2. Columna diabática

La Figura 2 muestra un esquema detallado de los flujos que hacen parte de una etapa de separación j

para el caso de la columna diabática.

Figura 2. Esquema de una etapa de separación para la columna diabática

En el modelo matemático presentado en la sección anterior, la ecuación (𝟏𝟏𝒂), que representa el

balance de energía para cada etapa de separación, debe modificarse de modo que incluya la

transferencia de calor en cada una de las etapas de separación j, por medio del flujo de calor que es

suministrado o removido en cada una de ellas (𝑄𝑗), de la siguiente forma:

𝑉𝑗+1 ∙ 𝐻𝑗+1𝑉 − 𝑉𝑗 ∙ 𝐻𝑗

𝑉 + 𝐿𝑗−1 ∙ 𝐻𝑗−1𝐿 − 𝐿𝑗 ∙ 𝐻𝑗

𝐿 + 𝐹𝑗 ∙ 𝐻𝑗𝐹 + 𝑄𝑗 = 0, ∀𝑗 ∈ 𝑆𝑆 (𝟏𝟏𝒃)

3.3. Análisis de grados de libertad

Teniendo en cuenta la notación expuesta anteriormente, el análisis de grados de libertad para una

columna adiabática de destilación extractiva con condensador total, condiciones de alimentación y

presión de operación definidas es de 2, como se muestra en las Tablas 2 y 3. Para especificar el

modelo, la relación de reflujo (𝑅𝑅) y la carga del rehervidor (𝑄𝑗 , ∀𝑗 ∈ 𝑅𝐸𝐵) son considerados como

variables de operación (Garcia-Herreros, Gomez, Gil, & Rodriguez, 2011) en este trabajo.

Tabla 2. Cálculo del número de ecuaciones en una columna de destilación extractiva

Equilibrio: 𝑦𝑖,𝑗 = 𝑓(𝑥𝑖,𝑗 , 𝑇𝑗 , 𝑃) 𝑛𝑡 × 𝑛𝑐

Sumatorias: ∑ 𝑦𝑖,𝑗𝑖 = 1, ∑ 𝑥𝑖,𝑗𝑖 = 1 2𝑛𝑡 Balances de materia (independientes) 𝑛𝑡 × 𝑛𝑐

Balances de energía 𝑛𝑡

Total 𝑛𝑡(2𝑛𝑐 + 3)

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13

Tabla 3. Cálculo del número de variables en una columna de destilación extractiva

𝑥𝑖,𝑗 , 𝑦𝑖,𝑗 2𝑛𝑐 × 𝑛𝑡 𝐿𝑗 , 𝑉𝑗 2𝑛𝑡 − 1

𝑇𝑗 𝑛𝑡 𝑄1, 𝑄𝑛𝑡 2

𝑅𝑅 1

Total 𝑛𝑡(2𝑛𝑐 + 3) + 2

Page 14: ESTUDIO DE CASO: OPERACIÓN ÓPTIMA DE COLUMNAS DE

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4. Formulación del problema de optimización

Un problema de optimización matemática, está constituido por: conjuntos (serie de elementos

agrupables), parámetros, variables, restricciones (entre ellas las ecuaciones del modelo presentado) y

una función objetivo. A continuación, se define de manera formal cada uno de los componentes del

problema de optimización, el cual aplica para ambas configuraciones propuestas (columnas

adiabática y diabática) utilizando la ecuación del balance de energía descrita en la sección anterior

según corresponda.

4.1. Conjuntos

𝐼: Conjunto de componentes, índice i 𝐼 = {1, . . , 𝑛𝑐}

𝐽: Conjunto de etapas, índice j 𝐽 = {1, . . , 𝑛𝑡}

𝑆𝑆: Subconjunto de etapas de separación 𝑆𝑆 = {2, … , 𝑛𝑡 − 1}

𝐶𝑂𝑁𝐷: Etapa que corresponde al condensador 𝐶𝑂𝑁𝐷 = {1}

𝑅𝐸𝐵: Etapa que corresponde al rehervidor 𝑅𝐸𝐵 = {𝑛𝑡}

4.2. Parámetros

𝐹𝑗: Flujo de alimentación de la etapa 𝑗 ∈ 𝐽 [kmol/h]

𝑧𝑖,𝑗: Fracción molar del componente 𝑖 ∈ 𝐼 en el flujo de alimentación de la etapa 𝑗 ∈ 𝐽 [kmol/h]

𝐻𝑗𝐹: Entalpía molar de la alimentación de la etapa 𝑗 ∈ 𝐽 [GJ/kmol]

𝑆𝑗𝐹: Entropía molar de la alimentación de la etapa 𝑗 ∈ 𝐽 [GJ/kmol K]

𝐸𝑥𝑗𝐹: Exergía molar de la alimentación de la etapa 𝑗 ∈ 𝐽 [GJ/kmol]

𝑃: Presión de operación de la columna [atm]

𝑇0: Temperatura de referencia [K]

4.3. Variables

𝑉𝑗: Flujo de vapor que sale de la etapa 𝑗 ∈ 𝐽 [kmol/h]

𝐿𝑗: Flujo de líquido que sale de la etapa 𝑗 ∈ 𝐽 [kmol/h]

𝑦𝑖,𝑗: Fracción molar del componente 𝑖 ∈ 𝐼 en el flujo de vapor que sale de la etapa 𝑗 ∈ 𝐽 [-]

𝑥𝑖,𝑗: Fracción molar del componente 𝑖 ∈ 𝐼 en el flujo de líquido que sale de la etapa 𝑗 ∈ 𝐽 [-]

𝑇𝑗: Temperatura de la etapa 𝑗 ∈ 𝐽 [K]

Page 15: ESTUDIO DE CASO: OPERACIÓN ÓPTIMA DE COLUMNAS DE

15

𝑄𝑗: Carga del intercambiador de la etapa 𝑗 ∈ 𝐽 [GJ/h]

𝑅𝑅: Relación de reflujo [-]

𝐷: Flujo de destilado [kmol/h]

Variables para el cálculo de las relaciones de equilibrio

𝑃𝑖,𝑗𝑠𝑎𝑡: Presión de saturación del componente 𝑖 ∈ 𝐼 en la etapa 𝑗 ∈ 𝐽 [atm]

𝐾𝑖,𝑗: Constante de equilibrio para el componente 𝑖 ∈ 𝐼 en la etapa 𝑗 ∈ 𝐽 [-]

𝛾𝑖,𝑗: Coeficiente de actividad del componente 𝑖 ∈ 𝐼 en la etapa 𝑗 ∈ 𝐽 [-]

Variables para el cálculo de entalpías del balance de energía

𝐻𝑗𝑉: Entalpía molar del vapor que sale de la etapa 𝑗 ∈ 𝐽 [GJ/kmol]

𝐻𝑗𝐿: Entalpía molar del líquido que sale de la etapa 𝑗 ∈ 𝐽 [GJ/kmol]

Variables para el cálculo de pérdidas de exergía

𝑆𝑗𝑉: Entropía molar del vapor que sale de la etapa 𝑗 ∈ 𝐽 [GJ/kmol K]

𝑆𝑗𝐿: Entropía molar del líquido que sale de la etapa 𝑗 ∈ 𝐽 [GJ/kmol K]

𝐸𝑥𝑗𝑉: Exergía molar del vapor que sale de la etapa 𝑗 ∈ 𝐽 [GJ/kmol]

𝐸𝑥𝑗𝐿: Exergía molar del líquido que sale de la etapa 𝑗 ∈ 𝐽 [GJ/kmol]

𝐸𝑥𝑙𝑜𝑠𝑠𝑗: Pérdida de exergía en la etapa 𝑗 ∈ 𝐽 [GJ/h]

4.4. Restricciones

Restricciones de igualdad

Ecuaciones (𝟏) − (𝟏𝟑) presentadas en la sección anterior.

Definición del flujo de destilado: 𝐷 =𝐿𝑗

𝑅𝑅, ∀𝑗 ∈ 𝐶𝑂𝑁𝐷 (𝟏𝟒)

Ecuaciones que involucran los cálculos de entalpías, entropías, coeficientes de actividad y equilibrio

(ver Anexo A).

Restricciones de desigualdad

Pureza del producto:

𝑥𝑖,𝑗 ≥ 0.995, 𝑖 = Etanol, 𝑗 ∈ 𝐶𝑂𝑁𝐷 (𝟏𝟓)

Flujo mínimo de destilado, obtenido como resultado de la verificación del modelo (ver sección 6.2):

𝐷 ≥ 80.251 [kmol/h] (𝟏𝟔)

Page 16: ESTUDIO DE CASO: OPERACIÓN ÓPTIMA DE COLUMNAS DE

16

4.5. Función objetivo

El objetivo del trabajo es el de minimizar las pérdidas de exergía para cada columna. Desde el punto

de vista de la Segunda Ley de la Termodinámica, una columna de destilación puede compararse con

un motor térmico. El trabajo realizado por las corrientes de servicio del sistema (calor suministrado

en el rehervidor y removido en el condensador) es usado para producir trabajo útil de separación y

puede ser descrito por medio del siguiente balance de exergía (Soares Pinto et al., 2011):

(1 −𝑇0

𝑇1) 𝑄1 + (1 −

𝑇0

𝑇𝑛𝑡) 𝑄𝑛𝑡 = ∆𝐸𝑥𝑠𝑡𝑟𝑒𝑎𝑚𝑠 + Ex lost (𝟏𝟕)

∆𝐸𝑥𝑠𝑡𝑟𝑒𝑎𝑚𝑠 = 𝐷 ∙ 𝐸𝑥1𝐿 + 𝐿𝑛𝑡 ∙ 𝐸𝑥𝑛𝑡

𝐿 − ∑ 𝐹𝑗 ∙ 𝐸𝑥𝑗𝐹

𝑗∈𝐽

(𝟏𝟖)

donde 𝑇1 es la temperatura del condensador; 𝑇𝑛𝑡 es la temperatura del rehervidor; 𝑇0 es la temperatura

de referencia; 𝑄1 es la carga de calor en el condensador; 𝑄𝑛𝑡 es la carga de calor en el rehervidor;

∆𝐸𝑥𝑠𝑡𝑟𝑒𝑎𝑚𝑠 el cambio de exergía de las corrientes; Ex lost la pérdida de exergía en la columna dada

las irreversibilidades; 𝐿𝑛𝑡 es la corriente de fondos. La exergía molar de una corriente está dada como

función de su entalpía y entropía de la siguiente forma:

𝐸𝑥 = 𝐻 − 𝑇0𝑆 (𝟏𝟗)

Las irreversibilidades se deben a las diferencias en temperatura y composición de las corrientes que

se mezclan en diferentes puntos de la columna. Al aplicar el balance de exergía en cada etapa j de la

columna, éste puede expresarse como función de las corrientes que entran y salen (flujos internos de

líquido y vapor, alimentos) y del flujo de calor, por medio de un intercambiador que opera a la

temperatura de la etapa (Soares Pinto et al., 2011):

𝐸𝑥𝑙𝑜𝑠𝑠𝑗= 𝑄𝑗 (1 −

𝑇0

𝑇𝑗) + 𝐸𝑥𝑠𝑡𝑟𝑒𝑎𝑚𝑠,𝑖𝑛𝑗

− 𝐸𝑥𝑠𝑡𝑟𝑒𝑎𝑚𝑠,𝑜𝑢𝑡𝑗, ∀𝑗 ∈ 𝐽 (𝟐𝟎)

donde 𝑇𝑗 es la temperatura de la etapa 𝑗 ∈ 𝐽; 𝑄𝑗 la carga de calor suministrado o removido en la etapa

𝑗 ∈ 𝐽; 𝐸𝑥𝑠𝑡𝑟𝑒𝑎𝑚𝑠,𝑖𝑛𝑗 la exergía de las corrientes que entran a la etapa 𝑗 ∈ 𝐽; 𝐸𝑥𝑠𝑡𝑟𝑒𝑎𝑚𝑠,𝑜𝑢𝑡𝑗

la exergía

de las corrientes que salen de la etapa 𝑗 ∈ 𝐽; 𝐸𝑥𝑙𝑜𝑠𝑠𝑗 la pérdida de exergía en la etapa 𝑗 ∈ 𝐽 debido a

las irreversibilidades.

𝐸𝑥𝑠𝑡𝑟𝑒𝑎𝑚𝑠,𝑖𝑛𝑗= 𝑉𝑗+1 ∙ 𝐸𝑥𝑗+1

𝑉 , ∀𝑗 ∈ 𝐶𝑂𝑁𝐷 (𝟐𝟏)

𝐸𝑥𝑠𝑡𝑟𝑒𝑎𝑚𝑠,𝑜𝑢𝑡𝑗= 𝐿𝑗 (1 +

1

𝑅𝑅) ∙ 𝐸𝑥𝑗

𝐿 , ∀𝑗 ∈ 𝐶𝑂𝑁𝐷 (𝟐𝟐)

𝐸𝑥𝑠𝑡𝑟𝑒𝑎𝑚𝑠,𝑖𝑛𝑗= 𝐿𝑗−1 ∙ 𝐸𝑥𝑗−1

𝐿 + 𝑉𝑗+1 ∙ 𝐸𝑥𝑗+1𝑉 + 𝐹𝑗 ∙ 𝐸𝑥𝑗

𝐹 , ∀𝑗 ∈ 𝑆𝑆 (𝟐𝟑)

𝐸𝑥𝑠𝑡𝑟𝑒𝑎𝑚𝑠,𝑜𝑢𝑡𝑗= 𝐿𝑗 ∙ 𝐸𝑥𝑗

𝐿 + 𝑉𝑗 ∙ 𝐸𝑥𝑗𝑉 , ∀𝑗 ∈ 𝑆𝑆 (𝟐𝟒)

𝐸𝑥𝑠𝑡𝑟𝑒𝑎𝑚𝑠,𝑖𝑛𝑗= 𝐿𝑗−1 ∙ 𝐸𝑥𝑗−1

𝐿 , ∀𝑗 ∈ 𝑅𝐸𝐵 (𝟐𝟓)

𝐸𝑥𝑠𝑡𝑟𝑒𝑎𝑚𝑠,𝑜𝑢𝑡𝑗= 𝐿𝑗 ∙ 𝐸𝑥𝑗

𝐿 + 𝑉𝑗 ∙ 𝐸𝑥𝑗𝑉 , ∀𝑗 ∈ 𝑅𝐸𝐵 (𝟐𝟔)

Page 17: ESTUDIO DE CASO: OPERACIÓN ÓPTIMA DE COLUMNAS DE

17

Los súper índices 𝐿, 𝑉 y 𝐹 corresponden a las fases líquida y vapor, y a la alimentación

respectivamente. Con todos los términos del balance de exergía establecidos, la función objetivo es

definida como la minimización de las pérdidas de exergía a lo largo de la columna:

min (Ex lost = ∑ 𝐸𝑥𝑙𝑜𝑠𝑠𝑗

𝑗∈𝐽

) (𝟐𝟕)

Page 18: ESTUDIO DE CASO: OPERACIÓN ÓPTIMA DE COLUMNAS DE

18

5. Estrategia de solución

El modelo de optimización no-lineal (NLP) propuesto para la minimización de pérdidas de exergía

se basa en el uso del modelo riguroso de ecuaciones MESH, compuesto por un conjunto de

restricciones algebraicas de igualdad descritas en secciones anteriores. Estas restricciones implican

el cálculo de entalpías y relaciones de equilibrio (que son función de los coeficientes de actividad

calculados por medio del modelo NRTL), y la estimación de las pérdidas de exergía (que son función

de la entalpía y entropía), lo cual, lleva a un problema de optimización no-convexo.

Todas las variables que hacen parte del modelo (composiciones, temperaturas, flujos de líquido y

vapor, flujos de calor) son continuas, y son optimizadas con el modelo matemático presentado, el cual

utiliza un algoritmo de punto interior (Byrd, Hribar, & Nocedal, 1999; Vanderbei & Shanno, 1999),

para encontrar las condiciones óptimas de operación de cada una de las configuraciones propuestas.

Los problemas son implementados en el software de optimización GAMS 23.9.5 en un computador

con procesador Intel® Core™ i3 CPU de 2.27 GHz y 3 GB de memoria RAM. Una amplia variedad

de “solvers” están disponibles para ser utilizados con este software, donde casi todos son producto

de grupos de investigación de terceros («GAMS Documentation Center», s. f.). Para obtener la

solucion optima de cada configuracion propuesta se hace uso del “solver” IPOPT, el cual utiliza un

método de punto interior basado en un filtro de búsqueda lineal para la solución de problemas no

lineales de gran escala, y está diseñado para ser eficiente en encontrar óptimos locales a dichos

problemas matemáticos de optimización (Wächter & Biegler, 2006).

La implementación en GAMS permite llevar a cabo la verificación del modelo y la obtención de los

resultados de forma fácil. Así mismo, fue desarrollada considerando la flexibilidad del modelo como

aspecto clave, en el sentido en que el caso base (número de etapas de separación, condiciones de las

corrientes de alimentación, número de componentes, presión de operación) puede modificarse de

manera sencilla.

Page 19: ESTUDIO DE CASO: OPERACIÓN ÓPTIMA DE COLUMNAS DE

19

6. Resultados y análisis

6.1. Caso de estudio: Columna extractiva

La separación de la mezcla azeotrópica de etanol-agua usando glicerol como agente de separación es

llevada a cabo en una columna de destilación que opera a presión atmosférica; esta columna produce,

como destilado, etanol con una pureza superior al 99.5% molar. La columna de destilación extractiva

cuenta con 17 etapas de equilibrio, un condensador total y un rehervidor parcial (tipo Kettle). La

columna es alimentada con 52 kmol/h de glicerol en la etapa 3 a 305 K y con 100 kmol/h de mezcla

azeotrópica (85% molar de etanol) en la etapa 12 a 293.15 K, ambas corrientes a presión atmosférica.

Se tienen en cuenta una relación de reflujo de 0.885 y una carga de calor en el rehervidor de 8.048

GJ/h para la especificación del modelo. La anterior descripción corresponde al diseño óptimo de la

columna de destilación para la producción de etanol carburante obtenido por Nova-Rincón, et al.

(2015) y García-Herreros, et al. (2011).

6.2. Verificación del modelo matemático

La verificación del modelo se lleva a cabo comparando los resultados obtenidos para la columna

adiabática en GAMS, especificando una función objetivo igual a uno, pero sin declarar las

restricciones de desigualdad (las cuales determinan las condiciones de operación para la

optimización), con los obtenidos con la herramienta de análisis térmico de Aspen Plus® para el perfil

de pérdida de exergía y diferentes variables como lo son el flujo de destilado, la pureza del destilado

y carga en el condensador. La Gráfica 1 muestra la comparación de los perfiles de pérdida de exergía

obtenidos por medio del simulador y del modelo propuesto.

Al calcular la suma de los errores al cuadrado para las pérdidas de exergía en cada etapa de la

columna, se obtiene un valor de 1.847 × 10−2, el cual es un valor relativamente pequeño al ser

comparado con el orden de magnitud de las pérdidas de exergía mostradas en la Tabla 4, el cual es

de aproximadamente 100. Estos resultados demuestran que el modelo propuesto es lo suficientemente

preciso para llevar a cabo la optimización.

Variables de operación principales Tabla 4. Variables de operación obtenidas en Aspen Plus® y GAMS

Aspen

Plus®

GAMS

𝑸𝒏𝒕 [GJ/h] 8,048 8,048

𝑸𝟏 [GJ/h] -6,079 -6,107

𝑹𝑹 0,885 0,885

𝑫 [kmol/h] 82,301 80,251

𝒙Etanol,1 99,932% 99,937%

𝐄𝐱 𝐥𝐨𝐬𝐭

[GJ/h] 1,013 0,947

Page 20: ESTUDIO DE CASO: OPERACIÓN ÓPTIMA DE COLUMNAS DE

20

Perfil de pérdida de exergía

Gráfica 1. Comparación del perfil de pérdida de exergía obtenido en Aspen Plus® con el obtenido en GAMS

6.3. Resultados del problema de optimización (NLP)

La minimización de las pérdidas de exergía se llevó a cabo para columnas de destilación extractiva

adiabática y diabática. El flujo de destilado obtenido a partir del caso base (80.251 kmol/h), como se

muestra en la Tabla 4, es considerado como el mínimo flujo de destilado para los problemas de

optimización.

La restricción del flujo mínimo de destilado se establece con el objetivo de que las condiciones de

operación óptimas para cada una de las configuraciones propuestas sean comparables entre sí, es

decir, que se pueda obtener como mínimo la misma tasa de producción de etanol usando de manera

más eficiente la energía.

La Tabla 5 compara los resultados obtenidos para las principales variables de operación resultado de

la optimización de las columnas adiabática y diabática optimizadas con los del caso base. La Tabla 6

muestra las cargas óptimas de calor en cada una de las etapas de la columna diabática obtenidas bajo

la optimización propuesta. La Gráfica 2 compara el perfil de pérdida de exergía para la columna

adiabática con el del caso base y la Gráfica 3 compara los perfiles de pérdida de exergía para ambas

configuraciones bajo el objetivo de optimización propuesto.

123456789

10111213141516171819

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70

Eta

pa

Ex Loss [GJ/h]

ASPEN GAMS

Page 21: ESTUDIO DE CASO: OPERACIÓN ÓPTIMA DE COLUMNAS DE

21

Tabla 5. Variables de operación problema NLP

Caso base Columna

adiabática

Columna

diabática

𝑸𝒏𝒕 [GJ/h] 8,048 5,310 0,383

𝑸𝟏 [GJ/h] -6,107 -3,372 -3,378

𝑹𝑹 0,885 0,040 0,040

𝑫 [kmol/h] 80,251 80,251 80,251

𝒙Etanol,1 99,937% 99,880% 99,948%

𝐄𝐱 𝐥𝐨𝐬𝐭

[GJ/h] 0,947 0,693 0,353

A partir de la información presentada en la Tabla 5, es posible observar que la columna diabática es,

como estaba estipulado, la configuración con la que las pérdidas de exergía son menores (0.353 GJ/h).

Tabla 6. Cargas de calor por etapa en la columna diabática

Etapa 𝑸 [GJ/h] Etapa 𝑸 [GJ/h]

3 -0,330 2 0,046

4 -0,269 12 3,399

5 -0,327 13 2,391

6 -0,404 14 1,604

7 -0,501 15 1,052

8 -0,622 16 0,712

9 -0,761 17 0,519

10 -0,914 18 0,421

11 -1,080

Los resultados para la optimización de la columna adiabática muestran una reducción del 26.818%

de las pérdidas de exergía en comparación con el caso base, mientras que para la columna diabática

una reducción del 62.771%. Del mismo modo las pérdidas de exergía para la columna diabática

representan una reducción del 49.128% respecto a las de la columna adiabática. Para ambas

configuraciones tanto el flujo de destilado como la pureza alcanzada corresponden con el caso base.

La relación de reflujo obtenida con las optimizaciones demuestra lo estudiado por Khoa, Shuhaimi,

Hashim, & Panjeshahi, (2010), donde establecen que la relación de reflujo y las pérdidas de exergía

tienen una correlación de carácter directamente proporcional.

Page 22: ESTUDIO DE CASO: OPERACIÓN ÓPTIMA DE COLUMNAS DE

22

Gráfica 2. Perfiles de pérdida de exergía para la columna adiabática y el caso base

Gráfica 3. Perfiles de pérdida de exergía para las columnas adiabática y diabática

123456789

10111213141516171819

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55

Eta

pa

Ex Loss [GJ/h]

Caso base Adiabática optimizada

123456789

10111213141516171819

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35

Eta

pa

Ex Loss [GJ/h]

Adiabática optimizada Diabática optimizada

Page 23: ESTUDIO DE CASO: OPERACIÓN ÓPTIMA DE COLUMNAS DE

23

Los perfiles de pérdida de exergía presentados en las gráficas anteriores muestran que, para la

configuración adiabática, las etapas en donde hay presencia de algún flujo de alimentación (etapas 3

y 12) junto con el rehervidor (etapa 19) es donde existen las mayores pérdidas de exergía a lo largo

de la columna; mientras que, para la configuración diabática, las etapas donde existen mayores

pérdidas de exergía corresponden solamente a aquellas donde hay presencia de flujos de alimentación

(etapas 3 y 12).

Al llevar a cabo la optimización de la columna de destilación extractiva adiabática, se obtiene una

reducción de las pérdidas de exergía en el rehervidor y en la etapa donde se alimenta al agente de

separación (etapa 3) en comparación con el caso base, mientras que en la etapa donde se alimenta la

mezcla azeotrópica (etapa 12) existe un aumento de las pérdidas de exergía como se muestra en la

Gráfica 2. Este aumento se puede explicar porque en esta configuración se buscar minimizar las

pérdidas de exergía en la etapa donde se presentan las mayores pérdidas de exergía en el caso base,

la cual es el rehervidor.

Por otra parte, al realizar la optimización de la columna diabática se reducen las pérdidas de exergía

tanto en el rehervidor, como en la etapa donde se alimenta la mezcla azeotrópica (etapa 12) como se

muestra en la Gráfica 3. Esta reducción de las pérdidas de exergía para el rehervidor (etapa 19), se

debe a que la energía que antes era suministrada sólo en el rehervidor, se distribuye en todas las etapas

que forman parte de la sección de stripping de la columna (etapas 12-19).

Para la columna diabática, se puede observar un aumento de las pérdidas de exergía en las etapas

ubicadas en los alrededores de la alimentación de la mezcla azeotrópica (etapa 12), el cual se debe a

que en las etapas más cercanas a la alimentación de la mezcla azeotrópica la magnitud del flujo de

calor suministrado y removido es mayor, como se demuestra en la Gráfica 3 y en la Tabla 6.

Como se mencionó anteriormente, uno de los objetivos del análisis exergético es el de evaluar cuál

de las configuraciones propuestas conduce a las menores pérdidas de exergía, lo cual representa un

uso más eficiente de la energía del sistema. La eficiencia de los sistemas de separación es

comúnmente calculada a partir de la Segunda Ley de la Termodinámica. Autores como Kencse &

Mizsey (2010) definen la eficiencia termodinámica, expresada a partir de las pérdidas de exergía,

como:

𝜂 =∆𝐸𝑥𝑠𝑡𝑟𝑒𝑎𝑚𝑠

∆𝐸𝑥𝑠𝑡𝑟𝑒𝑎𝑚𝑠 + Ex lost (𝟐𝟖)

donde ∆𝐸𝑥𝑠𝑡𝑟𝑒𝑎𝑚𝑠 corresponde al mínimo trabajo de separación y Ex lost a las pérdidas de exergía

totales de la columna o trabajo perdido. La Tabla 7 resume la eficiencia termodinámica para las

columnas extractivas adiabática y diabática.

Tabla 7. Eficiencia termodinámica para los sistemas de separación

Caso base Columna

adiabática

Columna

diabática

𝜼 8,848% 11,564% 20,727%

Page 24: ESTUDIO DE CASO: OPERACIÓN ÓPTIMA DE COLUMNAS DE

24

Con los datos presentados en la Tabla 7, para la eficiencia, junto con los presentados en la Tabla 5,

para las pérdidas de exergía, se puede notar que la operación de la columna bajo la configuración

diabática conduce a una mayor eficiencia termodinámica como resultado de las menores pérdidas de

exergía del sistema.

Page 25: ESTUDIO DE CASO: OPERACIÓN ÓPTIMA DE COLUMNAS DE

25

7. Conclusiones

El modelo de programación no-lineal propuesto aplica el concepto de análisis de exergía a la

optimización de columnas de destilación extractiva para la producción de etanol carburante, usando

como agente de separación glicerol. El análisis de exergía es implementado de modo que se

cuantifiquen las pérdidas de exergía en cada etapa a lo largo de la columna. Este análisis permite

obtener el perfil de pérdida de exergía, el cual es una herramienta útil para identificar gráficamente

modificaciones al diseño de la columna de destilación, en zonas termodinámicamente ineficientes

como lo son el rehervidor y las etapas donde se presentan los diferentes flujos de alimentación.

Considerando que el estudio presentado en este trabajo se realizó sobre un tipo de columna compleja,

la cual consistía en la presencia de múltiples componentes y corrientes de alimentación, así como

transferencia de calor en cada etapa de separación (para el caso de la configuración diabática), es

posible establecer y concluir que el análisis de la distribución de las pérdidas de exergía puede ser

aplicado a cualquier columna de destilación sin importar el grado de complejidad que presente. Esta

complejidad está definida por el número de componentes, número de etapas, número de alimentos o

el uso de intercambiadores de calor laterales.

Para el caso del estudio presentado, al aplicar el concepto de destilación diabática, se muestra que las

cargas de calor que deben suministrarse o retirarse a lo largo de la columna son mayores en los

alrededores de la etapa donde se alimenta la mezcla azeotrópica. Los resultados obtenidos ofrecen un

buen rendimiento en cuanto a la minimización de las pérdidas de exergía en columnas de destilación

extractivas. El intercambio de calor en cada una de las etapas de la columna muestra un aumento en

la eficiencia termodinámica del sistema.

Page 26: ESTUDIO DE CASO: OPERACIÓN ÓPTIMA DE COLUMNAS DE

26

8. Perspectivas

El análisis exergético de columnas de destilación puede ser aplicado en conjunto con un análisis

económico, el cual es necesario para justificar la inversión en columnas diabáticas de destilación.

Rivero, et al. (2004) establecen que el costo total que involucra un proyecto de una columna diabática

es 20% superior que el de una columna adiabática. La factibilidad y viabilidad del diseño pueden

verse afectadas dado que, al considerar la operación diabática, el diseño consiste en un aumento en el

número de intercambiadores de calor necesarios para llevar a cabo la transferencia d energía y por

tanto en el costo de capital que involucra la inversión en equipos. La forma en que se acopla el

intercambio de calor en las etapas intermedias es al mismo tiempo un factor que puede afectar

directamente la factibilidad económica de estas columnas de destilación.

Page 27: ESTUDIO DE CASO: OPERACIÓN ÓPTIMA DE COLUMNAS DE

27

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Page 29: ESTUDIO DE CASO: OPERACIÓN ÓPTIMA DE COLUMNAS DE

29

Anexo A: Cálculo de propiedades termodinámicas y relaciones de equilibrio

Nomenclatura

𝑃𝑖,𝑗𝑠𝑎𝑡: Presión de saturación del componente 𝑖 ∈ 𝐼 en la etapa 𝑗 ∈ 𝐽

∆𝐻𝑓𝑖

𝑉 : Entalpía de formación del vapor del componente 𝑖 ∈ 𝐼 a la temperatura de referencia (𝑇0)

∆𝐻𝑓𝑖

𝐿 : Entalpía de formación del líquido del componente 𝑖 ∈ 𝐼 a la temperatura de referencia (𝑇0)

𝐶𝑝𝑖𝑉: Capacidad calorífica del vapor del componente 𝑖 ∈ 𝐼

𝐶𝑝𝑖𝐿: Capacidad calorífica del líquido del componente 𝑖 ∈ 𝐼

𝑆𝑉𝑖0: Entropía estándar de formación del vapor del componente 𝑖 ∈ 𝐼

𝑆𝐿𝑖0: Entropía estándar de formación del líquido del componente 𝑖 ∈ 𝐼

Cálculo de la presión de saturación (P en mmHg)

log10 𝑃𝑖,𝑗𝑠𝑎𝑡 = 𝐴𝑖 +

𝐵𝑖

𝑇𝑗+ 𝐶𝑖 log10 𝑇𝑗 + 𝐷𝑖𝑇𝑗 + 𝐸𝑖𝑇𝑗

2, ∀𝑖 ∈ 𝐼, 𝑗 ∈ 𝐽 (𝑨𝟏)

Cálculos de propiedades termodinámicas

Entalpía:

𝐻𝑗𝑉(𝑇𝑗) = ∑ 𝑦𝑖,𝑗 (∆𝐻𝑓𝑖

𝑉 (𝑇0) + ∫ 𝐶𝑝𝑖𝑉𝑑𝑇

𝑇𝑗

𝑇0

)

𝑖∈𝐼

, ∀𝑗 ∈ 𝐽 (𝑨𝟐)

𝐻𝑗𝐿(𝑇𝑗) = ∑ 𝑥𝑖,𝑗 (∆𝐻𝑓𝑖

𝐿 (𝑇0) + ∫ 𝐶𝑝𝑖𝐿𝑑𝑇

𝑇𝑗

𝑇0

)

𝑖∈𝐼

, ∀𝑗 ∈ 𝐽 (𝑨𝟑)

Entropía:

𝑆𝑗𝑉(𝑇𝑗) = ∑ 𝑦𝑖,𝑗 (𝑆𝑉

𝑖0

(𝑇0) + ∫𝐶𝑝𝑖

𝑉

𝑇𝑑𝑇

𝑇𝑗

𝑇0

)

𝑖∈𝐼

− 𝑅 ∑ 𝑦𝑖,𝑗 ln 𝑦𝑖,𝑗

𝑖∈𝐼

, ∀𝑗 ∈ 𝐽 (𝑨𝟒)

𝑆𝑗𝐿(𝑇𝑗) = ∑ 𝑥𝑖,𝑗 (𝑆𝐿

𝑖0

(𝑇0) + ∫𝐶𝑝𝑖

𝐿

𝑇𝑑𝑇

𝑇𝑗

𝑇0

)

𝑖∈𝐼

− 𝑅 ∑ 𝑥𝑖,𝑗 ln 𝛾𝑖,𝑗𝑥𝑖,𝑗

𝑖∈𝐼

, ∀𝑗 ∈ 𝐽 (𝑨𝟓)

Cálculo de los coeficientes de actividad

j

k

kjk

m

mjmjm

ij

k

kjk

ijj

k

kik

j

jijij

iGx

Gx

Gx

Gx

Gx

Gx

ln

(𝑨𝟔)

)15.273(

0,ln

1,)exp(

Tdc

TfTeTba

GG

ijijij

iiijijijijij

iiijijij

(𝑨𝟕)