Modelación dinámica de una columna de destilación con empaque estructurado para la recuperación de amoníaco de una mezcla acuosa

Abstract

La recuperación de amoníaco es esencial para proteger el medio ambiente y proporciona beneficios económicos y energéticos en determinados procesos industriales. Este estudio se enfoca en la destilación de amoníaco-agua posterior a la producción de nitrilos en una planta situada en El Salto, Jalisco. Comprender su dinámica y los fenómenos de transporte implicados facilita el alcance de los objetivos previstos de operación, producción y seguridad. Este sistema consta de un economizador que utiliza el calor residual de los fondos de la columna para calentar la alimentación, una torre de destilación con dos secciones con empaque estructurado de agotamiento y rectificación, un termosifón vertical y un condensador total. El objetivo de esta tesis es la modelación y simulación, de manera precisa, de la dinámica de este sistema bajo un enfoque de sistema distribuido de no equilibrio con doble película, que se discretiza para pasar a un enfoque por etapas que considera balances de masa y energía, tasas de transferencia másica y calorífica, ecuaciones hidráulicas para la caída de presión, relaciones de equilibrio en la interfase y la suma de fracciones molares dentro de la columna. También, se hace un estudio riguroso de las mediciones, especificaciones de diseño y los fenómenos involucrados en los intercambiadores de calor y válvulas de control de flujo. Con esto, se proponen modelos en estado estacionario y dinámico, de los cuales se realiza un análisis de grados de libertad para garantizar su integridad y definir los tipos de variables en el sistema. Estas descripciones matemáticas y aproximaciones de propiedades termofísicas implicadas se implementaron y simularon en Aspen Plus y Aspen Custom Modeler V12.1. En estado estacionario, Aspen Plus permitió desarrollar un análisis preliminar del comportamiento del caso de estudio, destacando los patrones de flujo y modos de discretización de las zonas empacadas; mientras que en Aspen Custom Modeler se validaron los métodos y suposiciones propuestas, así como se obtuvieron valores de todas las variables relacionadas al proceso para estudiar los fenómenos de transporte en los equipos y ajustar parámetros en las válvulas de control. Es importante destacar que todas las aproximaciones teóricas y semi-empíricas propuestas permitieron el desarrollo de un modelo en estado estacionario que no requiere de ajustes paramétricos, sino que estas logran, por sí mismas, la reproducción experimental de resultados y la predicción de otros desconocidos, como el flujo volumétrico de válvulas. Con base a estos resultados, se formuló e implementó el estado dinámico, donde las entradas manipulables corresponden a las variables de control en la operación real del sistema. No se logró una ejecución apropiada en Aspen Custom Modeler ya que, al estudiar los métodos numéricos usados y selección de tipos de variables, existe una tendencia numérica a no converger o a la singularidad ante posibles problemas de rigidez y por la naturaleza compleja del sistema y modelo. A pesar de este inconveniente, esta tesis precisa en aspectos relevantes ingenieriles y científicos a considerar para el modelado, simulación y análisis de casos de estudio similares, además de exponer una estrategia de solución novedosa y competente ante un caso de estudio industrial con una gran cantidad de elementos, consideraciones y dinámicas.