Modelización y simulación de una columna de destilación utilizando nuevos modelos predictivos

Carvalho dos Santos, Nuno (2017). Modelización y simulación de una columna de destilación utilizando nuevos modelos predictivos. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Description

Title: Modelización y simulación de una columna de destilación utilizando nuevos modelos predictivos
Author/s:
  • Carvalho dos Santos, Nuno
Contributor/s:
  • Díaz Moreno, Francisco Ismael
Item Type: Final Project
Degree: Grado en Ingeniería Química
Date: 2017
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Ingeniería Química Industrial y del Medio Ambiente
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

El presente proyecto estudia y simula el proceso de destilación con un método de cálculo de coeficientes de actividad derivado de la química cuántica. Este modelo se denomina COSMO-SAC y permite predecir coeficientes de actividad en base a las interacciones a nivel molecular, principalmente, a través del cálculo de la interacción electrostática. El cálculo de la interacción electrostática se lleva a cabo entre una molécula y su solvente utilizando las distribuciones de carga en la superficie de la molécula. Cada molécula tiene un perfil de carga superficial polarizada, denominado sigma profile. El modelo estudiado en este proyecto, COSMO-SAC, utiliza una base de química cuántica para la obtención de los sigma profiles. A alto nivel, el procedimiento de cálculo predictivo realizado consiste en dividir las moléculas en segmentos, calcular los coeficientes de actividad individuales para cada uno de esos segmentos y finalmente computar el cálculo del coeficiente de actividad de la molécula entera. El modelado matemático de la columna de destilación, que consta de una entrada(alimentación) y dos salidas(destilado y fondo), incorpora los coeficientes de actividad calculados con el modelo COSMO-SAC y computa los balances de materia, de energía y ecuaciones de equilibrio en cada plato para calcular los principales caudales y los perfiles de composición y temperatura. Con objetivo de validar las predicciones de los coeficientes de actividad del modelo COSMO-SAC se han realizado comparaciones de los mismos con los coeficientes de actividad obtenidos por los modelos NRTL e Ideal. Sin embargo, estas comparaciones no han sido directas, o sea, no se han comparado directamente los coeficientes de actividad del modelo NRTL con el modelo COSMO-SAC. El método comparativo entre los distintos modelos consistió en examinar el error medio cuadrático sobre los perfiles de composición y los perfiles de temperatura para tres sistemas distintos. En total, se ejecutaron ejecutado 9 simulaciones distintas, o sea, tres por cada sistema estudiado. Para cada una de las simulaciones, se han comparado los resultados obtenidos con los resultados de la herramienta comercial ASPEN. Se han empleado dos herramientas de simulación para las operaciones de destilación. Una herramienta de simulación es el módulo RADFRAC, propietario de ASPEN, y la otra herramienta de simulación es un conjunto de funciones y archivos de excel de MATLAB. Dada la dificultad de acceso a los parámetros experimentales del NIST se ha decidido simular los resultados del modelo NRTL con ASPEN, que ya los tiene incorporados en sus bases de datos. Por otra parte, los modelos COSMO-SAC e Ideal han sido construidos con scripts de MATLAB, es decir, archivos de texto con código de MATLAB. Los diferentes modelos (COSMO-SAC, NRTL e IDeal) utilizan métodos de cálculo distintos de los coeficientes de actividad. Sin embargo, independientemente del método de cálculo de los mismos, hay operaciones matemáticas conceptualmente comunes para una operación de destilación: ecuaciones de equilibrio, balances de materia y balances de energía aplicadas a una cantidad de variables generadas por las hipótesis tomadas. Estas operaciones conceptualmente comunes toman diferente forma en el módulo RADFRAC de ASPEN y en los modelos COSMO-SAC e Ideal programados con MATLAB. En este sentido, la validación de resultados va más allá de la validación del modelo COSMO-SAC. La validación también engloba el modelado intrínseco de la columna de destilación. Una vez construido el modelo matemático se ha comprobado que el modelo COSMO-SAC es capaz de estar al nivel del modelo NRTL en todas las simulaciones. La potencia de este modelo reside en la capacidad de predicción de los coeficientes de actividad de sistemas de los que no se disponen de datos experimentales. El modelo NRTL es un modelo regresivo de parámetros ajustados con los datos del equilibrio L-V, mientras que COSMO-SAC es esencialmente predictivo. El núcleo de trabajo de este proyecto lo constituye la herramienta de simulación desarrollada en MATLAB. Esta herramienta es una solución ingenieril capaz de estudiar destilaciones de todos los sistemas químicos (L-V). Se divide en dos partes fundamentales. Una parte que contiene datos de los compuestos químicos (sigma profiles, calores específicos, calores latentes, constantes de Antoine, volúmenes de cavidad y pesos moleculares) y otra parte de código que opera con estos datos. La parte de código contiene scripts en lenguaje de MATLAB capaces de simular el estado estacionario de una columna de destilación a partir de ciertos parámetros de entrada (caudal de alimentación, fracciones molares, temperatura de entrada, presión de la columna) con los que el modelo es capaz de generar los perfiles de composición, los perfiles de temperatura y los principales caudales de la columna de destilación.

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Item ID: 47530
DC Identifier: http://oa.upm.es/47530/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:47530
Deposited by: Biblioteca ETSI Industriales
Deposited on: 28 Aug 2017 08:47
Last Modified: 28 Aug 2017 08:47
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