Diseño y optimización de una unidad de destilación batch para la recuperación de disolventes industriales

Abstract

En el presente trabajo se ha estudiado la viabilidad de una destilación-decantación discontinua para la recuperación de una mezcla MIBK/Agua. Con el objetivo de diseñar una unidad de destilación batch que permita purificar una mezcla MIBK - Agua de composición másica inicial 0,98 en MIBK, para alcanzar una pureza del disolvente de 0,998 en composición másica, se alcanzaron los objetivos específicos. Se consiguió manejar un simulador comercial de procesos (Aspen Plus V10) satisfactoriamente, en concreto el bloque de simulación dinámica (BatchSep) capaz de simular una destilación batch y, además, se desarrolló una guía de programación (disponible en el apéndice B). Se desarrolló un marco teórico que abarca la termodinámica y el equilibrio de fases, y asuntos claves dentro de la destilación como la regla de Bancroft, la volatilidad relativa, la rectificación discontinua, los sistemas azeotrópicos y los procesos de destilación no ordinaria; para así comprender el sistema heterozaeotrópico binario MIBK - Agua (en el apéndice A se dispone de la ficha internacional de seguridad y la ficha técnica del MIBK). Por último, se diseñó y analizó la operación básica de separación, destilación-decantación discontinua. Para ello, a partir de unas variables de entrada (características del relleno y un dimensionamiento de la operación a escala de laboratorio) se definieron los parámetros de diseño y los criterios operativos en función de los cuales se puede optimizar el proceso y evaluar la influencia de las variables de diseño. Los criterios de tiempo de destilación, recuperación, flujo de producto específico (SPF) y coste de energía específico también se han empleado para medir y comparar tres alternativas, tres configuraciones: una destilación batch, una destilación-decantación discontinua con una ratio de caudales de reflujo de la unidad para la fase orgánica y nula para la fase acuosa, y un tercer caso que añade vacío a la configuración anterior.
En el entorno de simulación se delimitaron las características necesarias para que el programa consiga llevar a cabo la simulación de forma satisfactoria. Las condiciones iniciales, el condensador, el método de eficacia de cada etapa el modelo de transferencia de calor, la geometría del matraz, las condiciones finales y pasos operacionales, y la selección del paquete de propiedades físico-químicas son dichas características. Para la selección del paquete termodinámico se empleó distintos arboles de decisión, obteniendo como resultado UNIQUAC como el modelo de coeficiente de actividad (universal quasichemical) ya que, el programa dispone de los parámetros de interacción binaria. Dicho modelo se desarrolla brevemente, así como sus ecuaciones. En la primera configuración se analizó el reflujo como variable de diseño, lo cual facilitó la comparación con el segundo diseño en términos de una misma razón de reflujo global. En el segundo diseño se manifiesta la influencia del número de etapas teóricas y el trabajo específico. También, se descarta posibilidad de subenfriar el condensado para obtener un mayor beneficio del equilibrio L-L para la separación. Para terminar y con el objetivo de una integración energética, el tercer diseño muestra los efectos de la presión en la configuración anterior ya que, al aplicar vacío, las temperaturas de ebullición y del heteroazeótropo disminuyen y se puede aprovechar las corrientes residuales de proceso en los intercambiadores de calor de la unidad de destilación. En el apéndice C se encuentra el código del programa Matlab 2019 para graficar tridimensionalmente los datos multivariable de dicho apartado. Para finalizar, se realizó un breve estudio económico donde, a través de los costes por equipo, se desarrolló una propuesta económica para las tres alternativas. Los costes evaluados han sido: el relleno, el matraz encamisado, el condensador, la columna, el decantador y la bomba de vacío.