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URI permanente para esta colecciónhttps://hdl.handle.net/20.500.13028/3844

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Acceso Abierto
Diseño de un tren de columnas de destilación azeotrópica para optimizar el proceso de purificación del etanol
(Universidad Nacional San Luis Gonzaga, 2024) Olivares Soto, Ineyda Melibeth; Cusi Palomino, Rosalío
Los combustibles renovables y sostenibles atraen la atención como sustitutos del petróleo debido a su potencial para impactar positivamente los desafíos ambientales de nuestro planeta. En este contexto, se desarrolló el concepto de Biorrefinería, en analogía con las refinerías de petróleo actuales, para producir productos químicos y combustibles a partir de biomasa como materia prima. Entre los potenciales productos de interés, el etanol destaca especialmente por sus características, que lo catalogan como un combustible “drop-in”, con importantes ventajas sobre el bioetanol. El bioetanol se puede producir a partir del proceso de fermentación ABE, tras lo cual debe separarse y purificarse. La actual tesis investiga el diseño y optimización de una sección de destilación azeotrópica para separar la mezcla de agua y etanol, que se genera desde la planta de separación de ABE. Este proceso adicional permite aumentar la recuperación de butanol, que es el más valioso de los productos de fermentación. El trabajo presenta una breve investigación de la operación de destilación, así como de la termodinámica del equilibrio vapor-líquido y de azeótropos. Luego, se idea un proceso para separar la mezcla de agua y butanol, un azeótropo heterogéneo de máximo punto de ebullición, aprovechando la separación de fases y el equilibrio líquido-líquido que se establece. El proceso se valida mediante simulación en estado estacionario utilizando simuladores comerciales. Se investigan los resultados en términos de requerimiento energético, variando la concentración de butanol en la corriente de alimentación y los modelos de coeficiente de actividad para su cálculo. En comparación con la literatura, los modelos propuestos proporcionan resultados coherentes, permitiendo la optimización mediante un análisis de sensibilidad de variables relevantes. Los resultados señalaron la mejor alternativa de diseño que generaría el menor requerimiento energético. Luego, el diseño optimizado se detalla en términos de esquema de control para la investigación utilizando simulaciones impulsadas por la presión. Los resultados generaron cambios adicionales en el diseño para hacer frente a la dinámica del proceso. Finalmente, se proporciona una estimación preliminar de los costos de instalación y operación del proceso. ----- Renewable and sustainable fuels are gaining attention as alternatives to petroleum because of their positive impact on our planet's environmental challenges. In this context, the concept of a biorefinery was developed, similar to current oil refineries, producing chemicals and fuels from biomass as raw material. Among the potential products of interest, ethanol stands out in particular for its characteristics, which classify it as a "drop-in" fuel, with important advantages of bioethanol. Bioethanol can be produced from the fermentation process of ABE, after which it must be isolated and purified. The present paper investigates the design and optimization of an azeotropic extraction section for the separation of water and ethanol mixtures, which is produced from an ABE separation plant. This additional process allows the recovery of butanol, which is a very valuable fermentation by-product. This work presents a brief study of distillation operations, as well as the thermodynamics of vapor-liquid equilibria and azeotropics. Then, a process was developed to separate the mixture of water and butanol, a heterogeneous isotrope with a high boiling point, taking advantage of the phase separation and the liquid-liquid equilibrium that was established. The process is validated by steady-state simulation using commercial simulators. The results are analyzed in terms of energy requirement, the concentration of butanol in the feed stream and the performance coefficient models for its calculation are different. Compared to the literature, the proposed models provide consistent results, allowing optimization through sensitivity analysis of relevant variables. The results indicated the best design alternative that would result in the lowest energy requirement. The desired design is then detailed in terms of a control scheme for investigation using stress run simulations. The results led to additional design changes to address process dynamics. Finally, a preliminary estimate of the installation and operating costs of the process is provided.
Acceso Abierto
Modelado y simulación de la destilación extractiva para la purificación del metilciclohexano
(Universidad Nacional San Luis Gonzaga, 2024) Belsuzarri Zarate, Jossell Jayr; Toledo Huaman, Juan Alfredo
Los procesos de destilación extractiva pueden separar mezclas finas, incluidas mezclas azeotrópicas de punto de ebullición más bajo o más alto y mezclas de volatilidad relativamente baja. Después de la destilación azeotrópica, la extracción alimentada en otro lugar que no sea la mezcla principal induce la extracción dentro de la columna. Los criterios generales de factibilidad indican que los insertos medianos a livianos y los insertos no homogéneos son apropiados junto con los insertos pesados comunes. Para cada tipo de insumo, definimos una clase de diferenciación extraíble que combina la región de viabilidad, el resultado a lograr y los límites de la relación insumo-alimentación. Dependiendo de la clase de separación, la configuración de la columna de separación directa o indirecta permite la detección del destilado o del producto de fondo. La separación de mezclas aromáticas/alifáticas como toluenometilciclohexano es muy difícil por destilación fraccionada convencional debido a los puntos de ebullición cercanos de ambos componentes (pb: 110,8 °C y 101 °C). Los métodos para aislar la mezcla se dividen por la cantidad de compuestos aromáticos presentes en la mezcla. Por lo tanto, la extracción líquido-líquido produce del 20 al 65 % en peso de sustancias aromáticas, la destilación extractiva produce del 65 al 90 % en peso y la destilación azeotrópica produce más del 90 % en peso de sustancias aromáticas en la mezcla. Los solventes orgánicos comúnmente usados para la destilación extractiva de mezclas aromáticas/alifáticas han sido reportados en la literatura, incluyendo N-metil-2- pirrolodona (NMP), dimetilformamida (DMF), fenol y otros. El fenol fue elegido como solvente de extracción para esta tesis. ----- Extractive distillation processes can separate fine mixtures, including lower or higher boiling azeotropic mixtures and mixtures of relatively low volatility. After azeotroping, extraction fed elsewhere than the main mixture induces extraction within the column. General feasibility criteria indicate that medium to light inserts and inhomogeneous inserts are appropriate along with common heavy inserts. For each type of input, we define an extractable differentiation class that combines the region of viability, the outcome to be achieved, and the limits of the input-feed relationship. Depending on the separation class, the direct or indirect separation column configuration allows the detection of the distillate or the bottom product. The separation of aromatic/aliphatic mixtures such as toluenemethylcyclohexane is very difficult by conventional fractional distillation due to the close boiling points of both components (bp: 110.8 °C and 101 °C). The methods for isolating the mixture are divided by the amount of aromatic compounds present in the mixture. Thus, liquid-liquid extraction produces 20 to 65% by weight of aromas, extractive distillation produces 65 to 90% by weight, and azeotropic distillation produces more than 90% by weight of aromas in the mixture. Organic solvents commonly used for the extractive distillation of aromatic/aliphatic mixtures have been reported in the literature, including N-methyl-2-pyrrolodone (NMP), dimethylformamide (DMF), phenol, and others. Phenol was chosen as the extraction solvent for this thesis.

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