Desarrollo y aplicación de un modelo computacional del arranque y operación de un proceso de adsorción por cambios oscilatorios de presión para la deshidratación de etanol azeotrópico

Abstract

La producción de biocombustibles es un tema importante en el contexto industrial colombiano, debido al rumbo que ha elegido el gobierno para posicionar al país como un productor líder a nivel mundial. Aunque existen varias alternativas tecnológicas para obtener etanol anhidro, como exige la legislación colombiana, todos los ingenios han adoptado un esquema de dos etapas. La separación inicia con una rectificación mediante destilación y finaliza con un proceso de adsorción. Debido a la importancia que tiene el mejoramiento del proceso de deshidratación, para la academia e industria nacional, el presente trabajo se realizó con el objetivo de comparar diferentes estrategias de operación para la deshidratación de etanol azeotrópico mediante el proceso de adsorción por cambios de presión. El trabajo comenzó con el desarrollo y validación de un modelo computacional, que posteriormente dio lugar a la selección de las variables de proceso involucradas en diferentes estrategias de operación. Por último, se identificaron ventajas y desventajas de cada estrategia. Un modelo matemático asistido por computadora se utilizó para analizar el proceso y los fenómenos que ocurren durante la operación de deshidratación con adsorbentes, adicionalmente, se diseñó y construyó una unidad piloto de PSA. El modelo fue implementado con el software Matlab®, que posee todas las herramientas matemáticas necesarias para integrar el modelo. La naturaleza cíclica y dinámica de la operación responde a un sistema dependiente del tiempo, específicamente a un sistema de ecuaciones diferenciales parciales. Por medio de una búsqueda bibliográfica y estudios numéricos se concluyó que el método de líneas con una discretización upwind es el más adecuado para el sistema en cuestión. El modelo, que incluye fenómenos convectivos y difusivos, describe satisfactoriamente el comportamiento de curvas de ruptura de adsorción de agua con zeolita 3A. Con el programa desarrollado se analizó la influencia de varias aperturas de válvulas en las etapas de presurización y despresurización, y la forma como estas afectan el tiempo de vida de las partículas de adsorbente. La operación, y especialmente el arranque, fueron estudiados con el fin de obtener estrategias que mejoren la eficiencia de la operación y reduzcan situaciones de riesgo. Por último, se realizó el diseño, construcción e instalación de una unidad piloto de PSA para la deshidratación de etanol.

Abstract. Biofuel production is an important issue in the Colombian industrial context because the direction that the government has chosen to position the country as a leading global producer. Although there are a several alternatives to obtain anhydrous ethanol, as required by Colombian law, all sugarmills have adopted a two-stage scheme. Separation begins with a rectification by distillation and terminates with an adsorption process. Due to importance of improving the dehydration process for academy and national industry, this study was performed in order to compare different operation strategies for the dehydration of azeotropic ethanol by Pressure swing adsorption (PSA). The work began with the development and validation of a computational model, which subsequently led to the selection of process variables involved in various operating strategies. Finally, advantages and disadvantages of each strategy were identified. A computer-assisted mathematical model was used to analyze the processes and phenomena that occur during the operation of dehydration with adsorbent, additionally, a pilot unit PSA was designed and built. The model was implemented with Matlab® software, which has all mathematical tools needed to integrate the model. The dynamic nature of the operation correspond to a time-depend system, specifically to a system of partial differential equations. With a literature search and numerical studies it was concluded that method of lines with upwind discretization is the most suitable. The model, which includes convective and diffusive phenomena, satisfactorily describes performance of breakthrough curves for adsorption of water with zeolite 3A. The developed program was used to analyze the influence of various valve openings in pressurization and depressurization steps and how it can affect the lifetime of adsorbent particles. Operation and especially start-up were studied in order to obtain strategies to improve efficiency and reduce risk situations. Finally, design, construction and installation of a pilot plant that uses PSA technology for ethanol dehydration was performed.