Contribuición al estudio de la operación de destilación discontinua mediante simulación
Authors:   , Bonsfills Pedrós Anna 
Published: September 2023

El treball presentat en aquesta tesi pretén contribuir a l'estudi mediambiental de la limitació de les emissions de components orgànics volàtils (VOCs), degudes a l'ús de dissolvents orgànics en determinades activitats i instal·lacions industrials, mitjançant la tècnica de la destil·lació discontinua o batch. <br/><br/>Amb aquest objectiu s'ha treballat amb un model matemàtic senzill, basat en els balanços de matèria i en les relacions d'equilibri líquid-vapor, que permeti d'una forma ràpida predir la separació per destil·lació batch de mescles líquides de VOCs. El llenguatge de programació utilitzat ha estat el Fortran 77. Per a poder comprovar la bondat del model en diversos escenaris i la seva eventual millora i validació, s'ha realitzat el muntatge i la posta a punt d' una planta pilot de destil·lació batch.<br/><br/>El model s'ha aplicat en primer lloc a la simulació d'una mescla binària (metanol-aigua), per a poder estudiar el seu comportament en la predicció de la separació per destil·lació batch dels components. Les simulacions realitzades amb el model s'han comparat amb els experiments realitzats en la planta pilot i amb el simulador comercial Batchsim de Pro/II. La mescla metanol-aigua s'ha escollit especialment per a realitzar la posta a punt de la planta pilot, on la mescla citada és la primera que s'experimenta en la planta. <br/><br/>Després d'estudiar la mescla binària, el model s'ha aplicat a una mescla ternària (ciclohexà toluè-clorobenzè). Els resultats obtinguts mitjançant la simulació del model s'han comparat amb els experiments realitzats en la planta pilot i amb el simulador Batchsim de Pro/II, per poder estudiar la capacitat de predicció del model a escala industrial.<br/><br/>Una vegada estudiat el model i la seva validació per a mescles reals sense azeòtrop, el següent pas ha estat estudiar si el model és capaç de predir el comportament de mescles azeotròpiques binàries. Així, el model s'ha aplicat a un azeòtrop binari de mínim punt d' ebullició (toluè-n-butanol). A l'igual que en les mescles anteriors estudiades, els resultats obtinguts per simulació amb la mescla azeotròpica s'han comparat amb els resultats experimentals obtinguts en la planta pilot i amb el simulador Batchsim de Pro/II.<br/><br/>En l'última part del treball s'estudia la resolució de l'azeòtrop toluè-n-butanol mitjançant l' addició d' n-octanol. Els resultats obtinguts per simulació es comparen amb els obtinguts experimentalment i amb el simulador Batchsim de Pro/II.<br/><br/>Després d'estudiar l'aplicació del model senzill a les diferents mescles, es pot concloure que el model utilitzat és una eina útil i vàlida que permet estudiar la separació de mescles binàries i multicomponents per destil·lació batch, així como mescles azeotròpiques binàries. Permet col·laborar en la reutilització de compostos orgànics volàtils, com els dissolvents, i en l'estudi de descàrrega zero en les indústries químiques de procés discontinu, en especial en el sector de la química fina. Aquestes indústries han de disposar de models senzills i de resposta ràpida, com el presentat en aquesta tesi, per poder fer front a les normatives ambientals cada vegada més estrictes.<br/><br/>Per altra banda, les característiques del model el fan apropiat per al càlcul del temps d' operació de separació per destil·lació batch, en programes de seqüenciació òptima d' operacions de processos batch. Els programes informàtics realitzats en aquesta tesi pretenen contribuir a la resolució de problemes de programació d'operacions (scheduling), dins de la planificació de la producció (planning) de plantes discontinues.

El trabajo presentado en esta tesis pretende contribuir al estudio medioambiental de la limitación de las emisiones de componentes orgánicos volátiles (VOCs), debidas al uso de disolventes orgánicos, en determinadas actividades e instalaciones industriales, mediante la técnica de la destilación discontinua o batch. <br/><br/>Para ello se ha trabajado con un modelo matemático sencillo, basado en los balances de materia y en las relaciones de equilibrio líquido-vapor, que permita de una forma rápida predecir la separación por destilación batch de mezclas líquidas de VOCs. El lenguaje de programación utilizado ha sido el Fortran 77. Para poder comprobar la bondad del modelo en diversos escenarios y su eventual mejora y validación, se ha realizado el montaje y la puesta a punto de una planta piloto de destilación batch.<br/><br/>El modelo se ha aplicado en primer lugar a la simulación de una mezcla binaria (metanol-agua), para poder estudiar su comportamiento en la predicción de la separación por destilación batch de los componentes. Las simulaciones realizadas con el modelo se han comparado con los experimentos realizados en la planta piloto y con el simulador comercial Batchsim de Pro/II. La mezcla metanol-agua se ha escogido especialmente para realizar la puesta a punto de la planta piloto, donde dicha mezcla es la primera que se experimenta en la planta. <br/><br/>Después de estudiar la mezcla binaria, el modelo se ha aplicado a una mezcla ternaria (ciclohexano-tolueno-clorobenceno). Los resultados obtenidos mediante la simulación del modelo se han comparado con las experiencias realizadas en la planta piloto y con el simulador Batchsim de Pro/II, para poder estudiar la capacidad de predicción del modelo a escala industrial.<br/><br/>Una vez estudiado el modelo y su validación para mezclas reales sin azeótropo, el siguiente paso ha sido estudiar si el modelo es capaz de predecir el comportamiento de mezclas azeotrópicas binarias. Para ello, el modelo se ha aplicado a un azeótropo binario de mínimo punto de ebullición (tolueno-n-butanol). Al igual que en las mezclas anteriores estudiadas, los resultados obtenidos por simulación con la mezcla azeotrópica se han comparado con los resultados experimentales obtenidos en la planta piloto y con el simulador Batchsim de Pro/II.<br/><br/>En la última parte del trabajo se estudia la resolución del azeótropo tolueno-n-butanol mediante la adición de n-octanol. Los resultados obtenidos por simulación se comparan con los obtenidos experimentalmente y con el simulador Batchsim de Pro/II.<br/><br/>Después de estudiar la aplicación del modelo sencillo a las distintas mezclas, se puede concluir que el modelo utilizado es una herramienta útil y válida que permite estudiar la separación de mezclas binarias y multicomponentes por destilación batch, así como mezclas azeotrópicas binarias. Permite colaborar en la reutilización de compuestos orgánicos volátiles, como los disolventes, y en el estudio de descarga cero en las industrias químicas de proceso discontinuo, en especial en el sector de química fina. Estas industrias deben disponer de modelos sencillos y de respuesta rápida, como el presentado en esta tesis, para poder hacer frente a las normativas ambientales cada vez más estrictas.<br/><br/>Por otro lado, las características del modelo lo hacen apropiado para el cálculo de tiempos de operación de separación por destilación batch, en programas de secuenciación óptima de operaciones de procesos batch. Los programas informáticos realizados en esta tesis pretenden contribuir a la resolución de problemas de programación de operaciones (scheduling), dentro de la planificación de la producción (planning) de plantas discontinuas.

The work presented in this thesis pretends to be a contribution to the environmental study of the limitation of the emissions from volatile organic compounds (VOCs), due to the use of organic solvents, in certain activities and industrial installations, by discontinuous or batch distillation.<br/><br/>A simplified mathematic model based on mass balances and vapor-liquid equilibrium has been used to predict the separation of liquid mixtures of VOCs by batch distillation. The model has been implemented in Fortran 77. A pilot plant of batch distillation has been constructed in order to validate the results obtained by simulation with the model.<br/><br/>First the model has been applied to the simulation of a binary mixture (methanol-water), in order to study the degree of separation of the components in the mixture. The results obtained with the model have been compared with those obtained in the pilot plant and with the commercial simulator Batchsim of Pro/II. The methanol-water mixture is the first mixture that has been experimented in the pilot plant and has served for the start-up of the pilot plant.<br/><br/>After the binary mixture has been successfully studied, the model has been applied to a ternary mixture (cyclohexane-toluene-chlorobenzene). The results obtained by simulation have been compared with the experiences in the pilot plant and with the simulator Batchsim of Pro/II, in order to study the capacity of the model to describe industrial situations.<br/><br/>Once the model has been validated for real mixtures without azeotrope, the model has been applied to a binary azeotropic mixture with a minimum boiling point (toluene-n-butanol) in order to study if the model can predict the behavior of this kind of mixtures. Also, the results obtained with the model have been compared with those obtained in the pilot plant and with those obtained with the simulator Batchsim of Pro/II.<br/><br/>In the last part of the thesis, the resolution of the binary azeotrope toluene-n-butanol has been studied with the simplified model, by adding n-octanol. The results obtained by simulation have been compared with those obtained in the pilot plant and those obtained with the simulator Batchsim of Pro/II. <br/><br/>It can be concluded that the simplified model is a useful and valid tool that permits the study of the separation of binary and multicomponent mixtures by batch distillation, and also binary azeotropic mixtures. The model permits to contribute to the reuse of volatile organic compounds, like solvents, and to study zero discharge in the batch chemical industries, specially in the industry of fine chemicals. These kind of industries need simplified and quick models, like the model presented in this thesis, in order to accomplish environmental restrictions.<br/><br/>The simplified model is also interesting for being applied to calculate operation times in batch process scheduling and in this way to contribute to a better planning of industrial plants.