Análisis y minimización de la entropía generada en un proceso de destilación extractiva para la deshidratación de etanol

Abstract

En el presente trabajo se cuantifica y minimiza la generación (producción) de entropía en un proceso de destilación extractiva para la deshidratación de etanol usando etilenglicol como agente de extracción. Para ello se analiza la influencia que tienen las variables de operación sobre la entropía generada en las columnas extractiva y de recuperación usando un modelo de no equilibrio y la termodinámica de procesos irreversibles; se continua con el estudio del efecto que tiene el acoplamiento entre la transferencia de calor y masa sobre los fluxes y la entropía producida por estos fenómenos. Finalmente, se considera el uso de columnas de destilación con intercambiadores de calor secuenciales (columnas SHE) como alternativa a las columnas tradicionales (columnas adiabáticas) para disminuir la entropía generada en el proceso. Los resultados obtenidos muestran que las variables más influyentes sobre la generación de entropía son: la relación de alimentación en la columna extractiva, y la relación de reflujo en la columna de recuperación; en ambos casos, la transferencia de calor externa en el rehervidor y en el condensador fueron también fuentes importantes de producción de entropía. Se observó que, el acoplamiento entre transferencia de calor y masa afecta principalmente a los fluxes de transferencia de calor, mientras que los de transferencia de masa y la entropía generada fueron afectados en menor proporción. El uso de columnas SHE permitió disminuir en un 17% la producción de entropía cuando se compara con el proceso que usa columnas adiabáticas, lo que hace a las columnas SHE atractivas desde el punto de vista de la eficiencia energética. / Abstract. The entropy generation (production) of an extractive distillation process for ethanol dehydration using ethylene glycol as solvent is analyzed and minimized. To that end, the influence of the operational variables on the entropy production in the extractive and recovering columns is assessed using irreversible thermodynamics and a ratebased model. The effect of coupling between heat and mass transfer on the values of the predicted fluxes and the entropy production is investigated. Finally, the use of distillation columns with sequential heat exchangers (SHE columns) is proposed as an entropy production saving alternative to the conventional distillation columns (adiabatic columns) in the process. The results show that the feed ratio is the most influential variable on the entropy production in the extractive column; whereas, the reflux ratio has the major effect in the recovering column. Besides, the external heat transfer in the reboiler and condenser had a significant effect on the entropy generation in both columns. The coupling between heat and mass transfer influenced the heat flux mainly, whereas, the mass fluxes and the entropy production were less affected. Using SHE distillation columns allowed a reduction of 17% in the entropy production when compared with the process that employs adiabatic columns, making the SHE columns an attractive alternative from the energy efficiency viewpoint.