Design of hybrid separation processes incorporating membrane technologies

Resumen

El objetivo general de este trabajo ha sido diseñar nuevos procesos de separación que resulten de la integración de operaciones convencionales (como destilación) con otras operaciones de separación con membranas (tales como pervaporación) que den como resultado nuevos procesos híbridos que permitan llevar a cabo la separación de mezclas complejas (tales como mezclas azeotrópicas) consiguiendo un ahorro energético respecto a los procesos convencionales con el consiguiente beneficio económico. La investigación descrita en esta tesis fue desarrollada en el grupo de investigación Procesos Avanzados de Separación, en el Departamento de Ingenierías Química y Biomolecular de la Universidad de Cantabria, en el marco de los proyectos CTM2013-44081-R (MINECO, Spain-FEDER 2014–2020) y CTQ2016-75158-R, financiados por el Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO). También el candidato a doctor, Adham Norkobilov, ha disfrutado de una beca para estudios de doctorado en el marco del SILKROUTE Project, financiado por la Comisión Europea a través del Erasmus Mundus Action 2 Programme. Para alcanzar los objetivos planteados se ha adoptado como caso de estudio el proceso de producción de ETBE, el cual reviste gran importancia industrial y donde los cotes energéticos tienen una gran incidencia en precio final del producto. Basándose en estudios previos por parte del grupo de investigación PAS, se utilizó información experimental sobre el proceso de separación de mezclas etanol/ETBE para desarrollar un nuevo modelo matemático que describe de forma fiable el proceso de pervaporación mediante membranas comerciales en función de las condiciones de operación. En la siguiente etapa este modelo junto con las ecuaciones de balances de materia y energía se emplearon para desarrollar un modelo de usuario en el simulador Aspen Custom Modeler. Luego de validarlo, este modelo fue exportado al entorno de Aspen Plus, para así poder implementar en este ambiente de simulación los diferentes flowsheets que describen los procesos híbridos alternativos que se han propuesto. De esta forma, mediante herramientas como el Activated Energy Analysis se evaluaron los consumos energéticos de las diferentes alternativas. Para hacer más amplio el alcance de este trabajo, también se incluyo un estudio comparativo con el proceso de producción basado en la destilación reactiva. Finalmente, se analizó las opciones de llevar a cabo integración energética haciendo uso de la herramienta Aspen Energy Analyzer, planteando diferentes escenarios para generar las redes de intercambio de calor. A través del uso de las diferentes herramientas descritas previamente se ha conseguido simular tanto el proceso convencional de producción de ETBE como las dos alternativas planteadas, es decir, el proceso híbrido destilación/pervaporación y la alternativa basada en destilación reactiva. Usando herramientas de análisis de sensibilidad se ha logrado determinar las condiciones de operación más adecuadas en cada caso. El análisis energético de los diferentes flowsheets ha revelado el potencial de la integración energética para disminuir los consumos energéticos. Finalmente, el análisis económico ha mostrado las ventajas comparativas del esquema basado en un proceso híbrido, lo cual sería aplicable tanto a nuevas plantas de producción como también para hacer un revamping de instalaciones existentes basadas en el proceso convencional.