Simulación estacionaria y dinámica del proceso de separación industrial de piridina y agua
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Universidad Nacional de Tucumán , Facultad de Ciencias Exactas Y Tecnología, Departamento de Ingeniera Química
Resumen
RESUMEN
Atendiendo a la necesidad global de desarrollar procesos eficientes para la obtención de productos de alta pureza y reducir el consumo energético en la industria química, este trabajo aborda un sistema de separación desafiante: la destilación azeotrópica heterogénea de una mezcla piridina-agua. El objetivo es demostrar la utilidad de la simulación de procesos para optimizar el consumo energético (simulación estacionaria) y desarrollar estrategias de control automático (simulación dinámica) en columnas de destilación, que se caracterizan por su alto consumo de servicios auxiliares y compleja operación.
En este trabajo se exploran las utilidades del software seleccionado (Unisim Desing®) como soporte en la etapa de diseño. A través de la simulación estática se profundiza en aspectos geométricos y mecánicos, específicamente de dimensionado, de la columna de destilación y del equipo auxiliar necesario para su funcionamiento, para luego proponer mejoras energéticas sobre el esquema base. Se demuestra, a través de un análisis económico preliminar, que la implementación de una bomba de calor basada en el principio de recompresión mecánica es una propuesta tentadora ya que disminuye el consumo de servicios auxiliares alrededor de un 90%.
Los capítulos finales se enfocan en la simulación dinámica. El capítulo 4 se presenta como una guía didáctica para aquellos que estén interesados en iniciarse en el uso de la simulación dinámica, enfatizando en las herramientas disponibles de Unisim Desing® y la transición desde la simulación estacionaria. Posteriormente, haciendo uso de los conceptos teóricos desarrollados sobre simulación dinámica, se implementó una estructura de control descentralizada en una columna de destilación de alta pureza que consta de seis lazos independientes. El análisis de grados de libertad, implementación, sintonización y evaluación de desempeño a través de casos de estudio, demuestran la efectividad y utilidad de la simulación dinámica para evaluar estrategias de control.
Descripción
ÍNDICE
RESUMEN.................................................................................................................3
PRÓLOGO ........................................................................................................................7
1. CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN .......................................................................................8
1.1. MOTIVACIÓN E INTERESES .....................................................................8
1.1.1. Piridina..................................................................................................... 8
1.1.2. Interés en el mercado global ................................................................... 9
1.2. DESTILACIÓN AZEOTRÓPICA HETEROGÉNEA...........................10
1.2.1. Aspectos teóricos generales ..................................................................... 10
1.2.2. Método gráfico..................................................................................................... 13
2. CAPÍTULO II: SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO............................20
2.1. CARACTERÍSTICAS GENERALES ......................................................................20
2.2. FACTIBILIDAD TEÓRICA DE PRODUCTOS..............................................21
2.3. MODELO TERMODINÁMICO ..............................................................22
2.4. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO..............................................24
2.4.1. Diagrama de flujo.......................................................................................... 24
2.4.2. Dimensionado ................................................................................................... 27
2.5. CONCLUSIONES .................................................................................................31
3. CAPÍTULO III: PROPUESTA DE INTEGRACIÓN ENERGÉTICA........32
3.1. BOMBAS DE CALOR ..................................................................................................32
3.2. CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS DE CALOR............................................33
3.3. COMPARACIONES ENTRE ESQUEMAS DE BOMBAS DE CALOR............35
3.4. MODELADO DEL ESQUEMA DE BOMBA DE CALOR EN ESTADO ESTACIONARIO .............37
3.4.1. Sobre el recipiente (cuerpo de la columna)........................................... 37
3.4.2. Sobre la compresión............................................................................... 38
3.4.3. Sobre los intercambiadores de calor ............................................................ 40
3.4.4. Sobre los recipientes de separación instantánea ..................................... 47
3.5. ANÁLISIS ECONÓMICO ....................................................................................47
4. CAPÍTULO IV: SIMULACIÓN DINÁMICA...........................................................50
4.1. INTRODUCCIÓN.....................................................................................................50
4.2. MODELADO DE VARIABLES .........................................................................50
4.3. ECUACIONES DE CONSERVACIÓN ...............................................................51
4.4. ALGORITMO DE SOLUCIÓN................................................................52
4.5. REDES DE PRESIÓN-FLUJO.....................................................................52
4.6. CONVERSIÓN DE UN MODELO EN MODO ESTACIONARIO A DINÁMICO ............................54
4.7. HERRAMIENTAS ÚTILES......................................................................55
4.7.1. Asistente dinámico............................................................................................ 55
4.7.2. Integrador ...................................................................................................... 56
4.7.3. Controladores.................................................................................................... 57
4.7.4. Strip charts................................................................................................................. 60
4.7.5. Autosintonización............................................................................................ 60
6 | P á g i n a
5. CAPÍTULO V: IMPLEMENTACIÓN DE ESTRUCTURA DE CONTROL EN LA PDC .............................62
5.1. ANÁLISIS DE GRADOS DE LIBERTAD........................................................62
5.2. ESTRUCTURA DE CONTROL...............................................................................63
5.2.1. Control de temperatura: selección de plato............................................... 64
5.3. DESARROLLO EN EL SIMULADOR......................................................67
5.4. INSTALACIÓN DE CONTROLADORES .................................................................69
5.4.1. Controlador de flujo de alimentación ............................................................. 70
5.4.2. Controlador de nivel del tanque de reflujo...................................................... 71
5.4.3. Controlador de nivel de la base de la columna............................................. 72
5.4.4. Controlador de presión en la cabeza de la columna ............................. 72
5.4.5. Controlador de temperatura del plato 8.................................................... 73
5.4.6. Controlador de relación de reflujo....................................................................... 74
5.5. CASOS DE ESTUDIO .......................................................................................76
5.5.1. Registro de variables ............................................................................................ 76
5.5.2. Monitoreo del estado estacionario................................................................. 78
5.5.3. Caso 1: Aumento del 20% del caudal de alimentación. ........................... 79
5.5.4. Caso 2: Disminución del 20% del caudal de alimentación...................... 80
5.5.5. Caso 3: Aumento del 10% de la Composición de Piridina en Caudal de Alimentación............ 82
5.5.6. Caso 4: Disminución del 10% de la Composición de Piridina en Caudal de Alimentación. ..... 83
5.6. CONCLUSIONES .......................................................................................................85
REFERENCIAS......................................................................................................86
OTRA BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA ....................................................................87
APÉNDICE A: PRINCIPIOS BÁSICOS SOBRE EL CONTROL DE PROCESOS..88
Citación
Cammisa, R. A. (2024). Simulación estacionaria y dinámica del proceso de separación industrial de piridina y agua [Trabajo final de graduación, Carrera de Ingeniería Química, Universidad Nacional de Tucumán, Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología].