Modelizacion y simulacion de una columna de destilacion utilizando nuevos modelos predictivos
El presente proyecto estudia y simula el proceso de destilacion con un metodo de calculo de coeficientes de actividad derivado de la quimica cuantica. Este modelo se denomina COSMO SAC y permite predecir coeficientes de actividad en base a las interacciones a nivel molecular, principalmente, a traves del calculo de la interaccion electrostatica. El calculo de la interaccion electrostatica se lleva a cabo entre una molecula y su solvente utilizando las distribuciones de carga en la superficie de la molecula. Cada molecula tiene un perfil de carga superficial polarizada, denominado sigma profile. El modelo estudiado en este proyecto, COSMO SAC, utiliza una base de quimica cuantica para la obtencion de los sigma profiles. A alto nivel, el procedimiento de calculo predictivo realizado consiste en dividir las moleculas en segmentos, calcular los coeficientes de actividad individuales para cada uno de esos segmentos y finalmente computar el calculo del coeficiente de actividad de la molecula entera. El modelado matematico de la columna de destilacion, que consta de una entrada(alimentacion) y dos salidas(destilado y fondo) incorpora los coeficientes de actividad calculados con el modelo COSMO SAC y computa los balances de materia, de energia y ecuaciones de equilibrio en cada plato para calcular los principales caudales y los perfiles de composicion y temperatura. Con objetivo de validar las predicciones de los coeficientes de actividad del modelo COSMO SAC se han realizado comparaciones de los mismos con los coeficientes de actividad obtenidos por los modelos NRTL e Ideal. Sin embargo, estas comparaciones no han sido directas, o sea, no se han comparado directamente los coeficientes de actividad del modelo NRTL con el modelo COSMO SAC. El metodo comparativo entre los distintos modelos consistio en examinar el error medio cuadratico sobre los perfiles de composicion y los perfiles de temperatura para tres sistemas distintos. En total, se ejecutaron ejecutado 9 simulaciones distintas, o sea, tres por cada sistema estudiado. Para cada una de las simulaciones, se han comparado los resultados obtenidos con los resultados de la herramienta comercial ASPEN. Se han empleado dos herramientas de simulacion para las operaciones de destilacion. Una herramienta de simulacion es el modulo RADFRAC, propietario de ASPEN, y la otra herramienta de simulacion es un conjunto de funciones y archivos de excel de MATLAB. Dada la dificultad de acceso a los parametros experimentales del NIST se ha decidido simular los resultados del modelo NRTL con ASPEN, que ya los tiene incorporados en sus bases de datos. Por otra parte, los modelos COSMO SAC e Ideal han sido construidos con scripts de MATLAB, es decir, archivos de texto con codigo de MATLAB. Los diferentes modelos (COSMO SAC, NRTL e IDeal) utilizan metodos de calculo distintos de los coeficientes de actividad. Sin embargo, independientemente del metodo de calculo de los mismos, hay operaciones matematicas conceptualmente comunes para una operacion de destilacion: ecuaciones de equilibrio, balances de materia y balances de energia aplicadas a una cantidad de variables generadas por las hipotesis tomadas. Estas operaciones conceptualmente comunes toman diferente forma en el modulo RADFRAC de ASPEN y en los modelos COSMO SAC e Ideal programados con MATLAB. En este sentido, la validacion de resultados va mas alla de la validacion del modelo COSMO SAC. La validacion tambien engloba el modelado intrinseco de la columna de destilacion. Una vez construido el modelo matematico se ha comprobado que el modelo COSMO SAC es capaz de estar al nivel del modelo NRTL en todas las simulaciones. La potencia de este modelo reside en la capacidad de prediccion de los coeficientes de actividad de sistemas de los que no se disponen de datos experimentales. El modelo NRTL es un modelo regresivo de parametros ajustados con los datos del equilibrio L V, mientras que COSMO SAC es esencialmente predictivo. El nucleo de trabajo de este proyecto lo constituye la herramienta de simulacion desarrollada en MATLAB. Esta herramienta es una solucion ingenieril capaz de estudiar destilaciones de todos los sistemas quimicos (L V) Se divide en dos partes fundamentales. Una parte que contiene datos de los compuestos quimicos (sigma profiles, calores especificos, calores latentes, constantes de Antoine, volumenes de cavidad y pesos moleculares) y otra parte de codigo que opera con estos datos. La parte de codigo contiene scripts en lenguaje de MATLAB capaces de simular el estado estacionario de una columna de destilacion a partir de ciertos parametros de entrada (caudal de alimentacion, fracciones molares, temperatura de entrada, presion de la columna) con los que el modelo es capaz de generar los perfiles de composicion, los perfiles de temperatura y los principales caudales de la columna de destilacion.