Integración de herramientas para el diseño y operación de plantas químicas. Aplicación al proceso de producción de Acetato de metilo.

Chafloque Villagómez, Belén Milagros (2020). Integración de herramientas para el diseño y operación de plantas químicas. Aplicación al proceso de producción de Acetato de metilo.. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM), Madrid, España.

Description

Title: Integración de herramientas para el diseño y operación de plantas químicas. Aplicación al proceso de producción de Acetato de metilo.
Author/s:
  • Chafloque Villagómez, Belén Milagros
Contributor/s:
  • Rodríguez Hernández, Manuel
Item Type: Final Project
Degree: Grado en Ingeniería Química
Date: 2020
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

Es indudable el hecho de que la ingeniería química se ha convertido en una de las principales bases del desarrollo actual debido, principalmente, al amplio abanico de productos que se obtienen a través de su transformación en procesos industriales. Antes de implementar en una planta real un proceso químico, se han de estudiar las condiciones de operación que, de forma eficiente y limpia, permitan obtener un mejor producto. Es también requisito indispensable que el proceso respete los límites medioambientales y tenga como premisa la seguridad. En la actualidad, dichos estudios previos se realizan mediante simuladores informáticos cuyo funcionamiento está basado en la resolución de las ecuaciones que definen el proceso. Tras su ejecución, el usuario obtiene como resultado las especificaciones finales del producto, así como el gasto energético y económico que supondría implantarlo en una planta industrial, entre otros aspectos. Para la manipulación de dicho simulador informático, así como para el entendimiento del proceso y el análisis de los resultados, es necesario cierto conocimiento de la materia. Por lo que la aplicación de estas herramientas queda limitada para un sector más específico. Bien es cierto que los simuladores que están en el mercado, son bastante completos y realizan estudios a fondo del proceso químico. Sin embargo, no incluyen ciertas funcionalidades que otros softwares podrían aportar como puede ser una hoja de cálculo, herramientas que permitan el análisis y optimización de los datos o el estudio de diferentes escenarios del mismo proceso en un tiempo menor de ejecución, entre otros. De ahí nace la motivación de este proyecto, que tiene una doble finalidad. Por una parte, se busca integrar distintas herramientas que permitan realizar un estudio superior del proceso químico. Esto incluirá entender el efecto- tanto individual como conjunto- que tienen los parámetros de operación en el funcionamiento de los equipos, observar la variación del resultado que se obtiene tras cambiar las condiciones de operación iniciales, y obtener un informe sobre el estudio económico y energético del proceso. Por otra parte, se pretende que este sistema resulte sencillo, didáctico e intuitivo de tal modo que su destinatario final sea un público mucho más amplio: tanto usuarios conocedores de la materia, como aquellos que no. Por tanto, se busca que los programas a utilizar resulten familiares a los usuarios y que, en la medida de lo posible, tengan licencias comerciales libres o, al menos, baratas. Del mismo modo, se busca que su manipulación no sea excesivamente compleja. Con dicho fin, se utilizarán los siguientes softwares a lo largo del proyecto: ➢ Aspen Plus, conocido simulador de procesos químicos en la industria. Además de detalles técnicos, proporciona herramientas para estudiar la rentabilidad del proceso y/o los impactos medioambientales que supondría. ➢ Microsoft Excel, también conocido simplemente como Excel, se trata de la hoja de cálculo más utilizada a nivel usuario. Permite la vinculación con otros programas a través de complementos. ➢ Matlab, plataforma que cuenta con su lenguaje de programación propio el cual está basado en matrices y permite resolver problemas científicos y de ingeniería. ➢ Python, lenguaje de programación caracterizado por su sencillez. Tiene un enfoque bastante amplio, por lo que el objetivo dependerá del autor del código, únicamente. Además, su instalación es gratuita. A lo largo de las líneas de este proyecto, se explica la metodología que se ha de seguir para acoplar las herramientas de modelado de sistemas (Aspen Plus) con cada uno de los entornos de trabajo (framework) dedicados al análisis y optimización de resultados (Excel, Matlab, mediante lenguaje Python). De este modo, el usuario podrá evaluar el diseño, análisis y posible comercialización del proceso, así como las condiciones de operación que mejores resultados provean. Las vinculaciones propuestas son: Matlab-Aspen, Python-Aspen, Excel-Aspen y, finalmente, un acoplamiento conjunto de Matlab y Excel con Aspen. En dichas aplicaciones, se generarán automáticamente modelos de análisis a partir de los valores elegidos por el usuario. Cada combinación de valores supondrá un “escenario” distinto. Estos estarán regidos por las mismas ecuaciones que el modelo de sistema del que se parte (aquel establecido en Aspen Plus en un principio). Asimismo, al ver directamente qué opciones son convenientes para implantarlas y cómo afecta cada parámetro, será más fácil intuir la combinación de valores que permiten la optimización del proceso. Se ha diseñado el sistema para que, en un primer momento, el análisis de los parámetros sea individual. Posteriormente, se podrá realizar una evaluación conjunta de distintos parámetros y, finalmente, se evaluarán las mejores combinaciones posibles para la operación. Está incluido en el sistema un análisis económico y energético. De entre todas las combinaciones, se propone la mejor opción como aquella que permite la optimización del proceso. La metodología explicada permite particularizar el proyecto para cualquier proceso químico. No obstante, en este trabajo se ha aplicado a la producción de acetato de metilo. Del mismo modo, se ha plasmado las bases de diseño y las condiciones de operación de este proceso. El acetato de metilo es conocido en el mercado como un disolvente industrial para barnices o pinturas. También es utilizado para la eliminación de pinturas concentradas y de utensilios y superficies manchadas. Tiene alta eficacia como disolvente de resinas y como producto desengrasante. Además de estos usos, se utiliza en la síntesis de sabor y esencia artificial. Se trata de un éster obtenido a partir del ácido acético y el metanol mediante esterificación. Una reacción de esterificación es aquella en la que se combinan un ácido carboxílico y un alcohol para dar, como productos, un éster y agua. En este proyecto se discute también qué vía de obtención seguir: la vía convencional, que incluye un reactor en el que se da la reacción y su posterior separación de componentes mediante columnas de destilación; o mediante la vía de destilación reactiva, en la cual ambos procesos tienen lugar en el mismo equipo. Se evalúan ambas opciones, tanto en su dimensión cuantitativa, cualitativa, energética y económica. Finalmente, se decide hacerlo con una columna de destilación reactiva debido a las ventajas que presenta. Tras concretar el diseño y la simulación de este proceso en Aspen, se procede a integrar los softwares que permitirán un análisis superior, pero, a la vez, más intuitivo del proceso mediante las aplicaciones de Matlab, Excel y Python. Para este proceso en particular, los parámetros más influyentes que se estudian son: el ratio destilado/alimentación (ratio D:F), el reflujo del ratio y la etapa en la que se introduce la alimentación. El trabajo concluye con unas reflexiones acerca del impacto socioeconómico y medioambiental que supondría, así como los pasos que quedan pendientes para llevar a cabo una ampliación del proyecto.

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Item ID: 65158
DC Identifier: http://oa.upm.es/65158/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:65158
Deposited by: Dra. Belén Milagros Chafloque Villagómez
Deposited on: 01 Nov 2020 08:28
Last Modified: 01 Nov 2020 08:28
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