La destil·lació i la sostenibilitat

Autor: Gabriel Iulian Dan Directora: Anna Bonsfills Pedrós Data: Maig 2021 La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 2 En un procés de destil·lació industrial, l’aplicació del concepte de sostenibilitat es basa en determinar el mínim consum energètic possible sense afectar la quantitat o la qualitat dels productes, mitjançant l’ús de tècniques i equips més eficients. En aquest treball s’estudien alguns mètodes de reducció del consum energètic utilitzats actualment en la indústria, amb l’objectiu d’aplicar-los en un cas hipotètic de destil·lació a través d’un programa de simulació de processos, per determinar el grau d’estalvi respecte a una torre de destil·lació simple. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 3 In an industrial distillation process, applying the concept of sustainability revolves around discovering the point of minimal energy consumption without affecting the quality or quantity of the products, trough the usage of more efficient equipment and techniques. In this project, a number of energy-saving methods currently used throughout the industry are studied, with the objective of applying them in a hypothetical distillation case by using a process simulation platform in order to determine which one is the most efficient compared to a simple distillation column. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 4 ÍNDEX 1. INTRODUCCIÓ ....................................................................................................................... 7 1.1. Objectius ................................................................................................................................ 7 2. LA DESTIL·LACIÓ INDUSTRIAL ........................................................................................ 8 2.1. Columna de destil·lació ......................................................................................................... 8 2.2. Tipus de plats i rebliments .................................................................................................. 10 2.3. Equilibri líquid-vapor i funcionament d’un plat ................................................................. 12 3. LA SOSTENIBILITAT .......................................................................................................... 14 3.1. Medi ambient ....................................................................................................................... 14 3.2. Societat ................................................................................................................................ 15 3.3. Economia ............................................................................................................................. 16 3.4. Índex de sostenibilitat .......................................................................................................... 18 3.4.1. Característiques dels indicadors de sostenibilitat ..................................................... 18 3.4.2. Exemples d’índexs de sostenibilitat ......................................................................... 19 3.4.3. General Motors Metrics for Sustainable Manufacturing .......................................... 20 4. DESTIL·LACIÓ SOSTENIBLE ............................................................................................ 23 4.1. Columnes ............................................................................................................................. 24 4.1.1. Dividing wall column (DWC) .................................................................................. 24 4.1.2. Columna Kaibel ........................................................................................................ 26 4.1.3. Internally heat integrated distillation column (HIDiC) ............................................ 26 4.2. Mètodes de reducció del consum energètic ......................................................................... 27 4.2.1. Preescalfament total ................................................................................................. 27 4.2.2. Feed splitting ............................................................................................................ 29 4.2.3. Recompressió mecànica de vapor ............................................................................ 30 5. ESTAT DE L’ART ................................................................................................................. 31 5.1. DWC amb recompressió de vapor ...................................................................................... 31 5.2. DWC amb sistema d’integració de calor ............................................................................. 33 6. CAS D’ESTUDI ..................................................................................................................... 36 6.1. Programa de simulació UniSim Design .............................................................................. 36 6.2. Model de destil·lació binària ............................................................................................... 37 6.2.1. Determinació del nombre de plats ............................................................................ 38 La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 5 6.2.2. Model de destil·lació simple .................................................................................... 44 6.2.3. Model de destil·lació amb preescalfament total ....................................................... 46 6.2.4. Model de destil·lació amb preescalfament parcial ................................................... 48 6.2.5. Sistema amb preescalfament total i recompressió de vapor ..................................... 51 6.3. Anàlisis de resultats ............................................................................................................. 55 7. CONCLUSIONS ..................................................................................................................... 57 8. BIBLIOGRAFIA .................................................................................................................... 58 9. ANNEX ................................................................................................................................... 60 9.1. Funcionament del programa UniSim .................................................................................. 60 ÍNDEX DE FIGURES Figura 1 – Esquema d’una columna de destil·lació típica.............................................................. 9 Figura 2 – Exemple d’un plat perforat ......................................................................................... 10 Figura 3 – Funcionament d’un plat de vàlvules ........................................................................... 11 Figura 4 – Diferents tipus d’anells Raschig metàl·lics ................................................................ 11 Figura 5 – Diagrama d’equilibri líquid-vapor d’una mescla d’etanol i aigua. ............................. 12 Figura 6 – Funcionament d’un plat perforat ................................................................................. 13 Figura 7 – Els 3 aspectes de la sostenibilitat ................................................................................ 16 Figura 8 – Diagrama que mostra la interdependència ................................................................. 17 Figura 9 – Previsió de l’evolució en el temps del valor accionarial ............................................ 21 Figura 10 – Exemple d’una configuració Petlyuk per la destil·lació d’una mescla ...................... 24 Figura 11 – Esquema de la configuració interna d’una DWC ...................................................... 25 Figura 12 – Esquema d’una HIDiC ................................................................................................ 27 Figura 13 – Columna de destil·lació amb preescalfament total de l’aliment ................................. 28 Figura 14 – Destil·lació amb preescalfament parcial de l’aliment ................................................. 29 Figura 15 – Esquema de columnes amb diferent tipus de compressió de vapor ............................ 30 Figura 16 – Esquema d’una DWC amb recompressió de vapor .................................................... 32 Figura 17 – Esquema d’una DWC amb recompressió de vapor optimitzada ................................ 33 Figura 18 – Esquema d’una DWC amb integració de calor ........................................................... 34 Figura 19 – Esquema d’una DWC amb recompressió de vapor optimitzada ................................ 35 Figura 20 – Esquema d’una columna de destil·lació simple .......................................................... 38 Figura 21 – Mètode McCabe-Thiele per calcular el nombre de plats teòrics ................................ 39 Figura 22 – Variació de la capacitat calorífica en funció de la temperatura ................................. 40 Figura 23 – Condicions inicials utilitzant un separador de components ........................................ 41 Figura 24 – Nombre de plats obtinguts utilitzant la raó de reflux mínima del mètode gràfic ....... 42 Figura 25 – Determinació de la raó de reflux per 20 plats ............................................................. 43 Figura 26 – Esquema d’una destil·lació simple ............................................................................. 44 La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 6 Figura 27 – Introducció d’especificacions per reduir els graus de llibertat ................................... 44 Figura 28 – Esquema en UniSim del sistema amb preescalfament total ....................................... 46 Figura 29 – Normes T.E.M.A. per als bescanviadors de calor amb carcassa i tubs....................... 47 Figura 30 – Esquema en UniSim del sistema amb preescalfament parcial de l’aliment .............. 49 Figura 31 – Secció de variables de l’eina d’optimització d’UniSim amb els resultats obtinguts .. 50 Figura 32 – Secció de funcions del programa ............................................................................... 50 Figura 33 – Model proposat amb un sistema de recompressió del vapor de metanol .................... 51 Figura 34 – Full de càlcul de l’eina d’optimització d’UniSim ....................................................... 52 Figura 35 – Secció de funcions on es desitja maximitzar la concentració de metanol ................. 53 Figura 36 – Resultats obtinguts per al model amb recompressió de vapor optimitzat ................... 54 Figura 37 – Comparació de l’estalvi energètic en les diferents fonts de calor .............................. 56 ÍNDEX DE TAULES Taula 1 – Consum d’energia de les 3 simulacions ......................................................................... 30 Taula 2 – Dades inicials del flux d’aliment .................................................................................... 37 Taula 3 – Variació de la capacitat calorífica en funció de la temperatura ..................................... 40 Taula 4 – Càlcul de nombre de plats en el separador de components ........................................... 43 Taula 5 – Resultats obtinguts en canviar el plat d’entrada de l’aliment ........................................ 45 Taula 6 – Treballs efectuats pel condensador i el calderí ............................................................. 48 Taula 7 – Comparació dels resultats obtinguts en cada cas estudiat .............................................. 55 La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 7 1. INTRODUCCIÓ La destil·lació industrial és un dels processos de separació més energèticament exhaustius, tractant grans quantitats de mescles líquides, aprofitant les diferències entre les propietats termodinàmiques dels components. La tècnica és generalment utilitzada en la indústria química, el seu ús més important sent la refinació del petroli cru per obtenir productes com el querosè, gasolina, gasoil, olis lubricants, ceres, asfalts o GLP que s’utilitzen en diferents àmbits com el transport, la producció de plàstics, el sector farmacèutic o la construcció de carreteres. També té un paper molt important en la indústria de begudes alcohòliques, perfumeria i farmacèutica. Tot i que el procés està contínuament millorant des d’un punt de vista energètic i residual mitjançant processos de simulació digital i a petita escala, en l’actualitat en una planta industrial química, la destil·lació representa un 40% del consum total d’energia [1]. Aquest consum energètic és causat per la necessitat d’escalfar grans quantitats d’aigua en forma de vapor per tal d’augmentar la temperatura de les mescles que es volen separar, principalment mitjançant diferents tipus de bescanviadors de calor. L’energia es pot perdre també a través dels productes, que surten de les columnes a unes temperatures molt altes i a vegades aquesta no es reaprofita. El tema de la sostenibilitat es va escollir per la importància d’aquest aspecte dins de les indústries de producció, que afecten el medi ambient de manera directa com també indirecta. Un exemple de contaminació directa es pot trobar en la indústria minera, on depenent del tipus de matèria primera que s’està processant, s’arriba a contaminar l’aigua o la terra principalment amb substàncies inorgàniques. En el cas de la contaminació indirecte, un exemple seria la indústria petroquímica que produeix grans quantitats de combustibles que estan utilitzats en la indústria del transport, d’aquesta manera contribuint a l’emissió de gasos d’efecte hivernacle. Tot i que la contaminació directe es pot reduir considerablement, l’energia que les industries de producció requereixen per funcionar prové de fonts no sostenibles, com el gas natural i el petroli que s’utilitzen en forma de calor o per produir electricitat. 1.1. Objectius L’objectiu principal d’aquest treball és estudiar les diferents tècniques i columnes de destil·lació que s’utilitzen o es desenvolupen actualment per reduir els costos energètics, com també aspectes teòrics respecte a la sostenibilitat que s’apliquen en qualsevol camp de les indústries de producció. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 8 Recercant aquesta informació, l’objectiu secundari és el d’aplicar la informació recollida en la simulació d’un model de destil·lació binària per tal de determinar el grau de reducció del consum energètic en funció del mètode aplicat. Per finalitzar, es comparen aquests resultats i es determina quin és el mètode òptim. 2. LA DESTIL·LACIÓ INDUSTRIAL El procés de destil·lació es basa en la separació total o parcial de mescles líquides, aprofitant les diferències entre els punts d'ebullició dels diferents components. La tècnica és generalment utilitzada en la indústria química, el seu ús més important sent la refinació del petroli cru per obtenir productes com el querosè, gasolina, gasoil, olis lubricants, ceres, asfalts o GLP que s’utilitzen en diferents àmbits com el transport, la producció de plàstics, el sector farmacèutic o la construcció de carreteres. El procés també té un paper molt important en la indústria de begudes alcohòliques, perfumeria i farmacèutica. 2.1. Columna de destil·lació En la indústria química, el procés de destil·lació es realitza principalment mitjançant l’ús de les columnes de destil·lació, equips que poden treballar amb grans quantitats de mescles i que solen funcionar constantment si no es produeixen canvis en l'alimentació, la calor aportada o la pressió interna. Una columna de destil·lació està formada per una carcassa que separa un flux d’aliment en una fracció de destil·lat i altre de condensat (Figura 1). Els components més volàtils amb els punts d'ebullició més baixos surten de la part superior de la columna en forma de vapor que després es condensen mentre que els productes amb els punts d'ebullició més alts surten per la part inferior en forma liquida. Tanmateix, moltes columnes de destil·lació industrial tenen múltiples punts de sortida, per poder retirar diversos productes amb punts d’ebullició diferents. Per proporcionar un bon contacte entre el vapor de flux ascendent i el líquid descendent d’una columna de destil·lació, s’utilitzen plats metàl·lics o altres dispositius inerts, coneguts com a rebliments, amb grans superfícies de contacte. Les columnes de destil·lació industrial també utilitzen el reflux extern per aconseguir una millor separació dels productes. El reflux és una part del destil·lat ja condensat que retorna a la part superior de la columna. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 9 Figura 1 – Esquema d’una columna de destil·lació típica Font: [2] Des d’un punt de vista energètic, la quantitat de calor proporcionada pel calderí i l’aliment ha de ser igual a la quantitat de calor eliminada amb els productes i el condensador. La calor que entra a una columna de destil·lació és un paràmetre que s’ha de controlar contínuament; l’excés o insuficiència de calor a la columna pot provocar inundacions o baixades o pujades de la pressió interna, que pot parar tota la planta de producció. El calderí o reboiler és un tipus de bescanviador que té com a objectiu aportar energia en forma de calor a la columna per tal d’arribar a la temperatura d’ebullició de la mescla, d’aquesta manera evaporant els components més volàtils que circulen en direcció ascendent dins de la columna El condensador és un tipus d’intercanviador de calor que té com a objectiu transformar el vapor que surt per la part superior de la columna a líquid, normalment mitjançant l’ús d’aigua com a refrigerant. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 16 A continuació es mostren els aspectes bàsics utilitzats per la resolució de problemes mediambientals, amb la finalitat d’obtenir un desenvolupament sostenible (Figura 7). La societat ha d’estar informada i educada sobre la necessitat de la sostenibilitat i la seva aplicació en diferents àmbits. La informació és una eina que permet aplicar o rebutjar solucions a problemes mediambientals amb més facilitat. Figura 7 – Els 3 aspectes de la sostenibilitat Font : [7] 3.3. Economia Explicat d’una manera senzilla, el creixement econòmic ideal té molts beneficis, com el creixement d’empreses i nacions, que també implica l’augment del nombre de llocs de treball i millora de la qualitat de vida. Una millora de la qualitat de vida implica més consum de productes i serveis, que al seu torn augmenta la seva demanda, arribant a un cicle de demanda i consum que està sempre dependent un de l’altre, en un creixement perpetu. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 17 Un dels problemes amb el qual l’economia s’enfronta avui dia és l’ús de recursos naturals com el petroli i el gas, que faciliten els avanços tecnològics, però cada vegada es consumeixen més, encara que existeixi el coneixement que aquests recursos són limitats. Per fer front a la problemàtica entre el creixement econòmic i la sostenibilitat, s’ha de trobar una manera d’equilibrar els dos. Aquest balanç no s’ha de fer només trobant noves fonts d’energies alternatives, però també limitant el creixement desproporcionat de l’economia, la població i l’esgotament de recursos naturals. Els efectes d'aquestes accions afectarien el nivell de vida de moltes nacions i imposarien restriccions a l'ús energètic, les emissions i el creixement demogràfic, d’aquesta manera limitant la qualitat de vida de la majoria de ciutadans. El problema amb la interdependència entre el creixement econòmic i el consum és la creació del materialisme excessiu (Figura 8). Com més capital, més qualitat de vida i més llibertat d’escollir diferents serveis i productes, fet que amb la necessitat de ser important de cada individu, crea una nova interdependència entre el consum i els desitjos individuals [9]. Aquest esdeveniment augmenta encara més el consum i la demanda, i per tant, també es gasten més recursos naturals. Figura 8 – Diagrama que mostra la interdependència entre el creixement del consum, l'economia i l'esgotament dels recursos Font: [9] Aquest equilibri principalment econòmic amb influencies socials s’ha de considerar i entendre per la societat com una solució al conflicte entre el creixement desproporcionat a curt termini i la supervivència de les generacions futures. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 18 3.4. Índex de sostenibilitat Sabent que la sostenibilitat pot tenir diferents aspectes, com social, econòmic i mediambiental, amb l’objectiu d’aplicar mesures dins de les indústries per reduir l’impacte que aquestes tenen sobre els seus entorns, s’utilitzen diferents índexs de sostenibilitat, amb els quals es pot determinar si s’han assolit els objectius per un desenvolupament o fabricació més sostenible. Un índex de sostenibilitat és un sistema que mesura els resultats econòmics i mediambientals de les empreses que tenen com a objectiu protegir el medi ambient envers intentar obtenir un profit màxim. Repartit en diferents categories que tracten de temes com l’ambient, la contaminació, la salut humana o gestió de residus, l’índex de sostenibilitat proporciona un determinat nombre d’indicadors que serveixen com a guia per les empreses participants, per poder utilitzar-los a millorar els seus processos i polítiques de producció [6]. L’indicador és un paràmetre que proporciona informació quantificada sobre l’estat d’un fenomen o àrea, com per exemple, la quantitat de components orgànics volàtils (COVs) emesa per un procés de producció en un determinat temps. Una mètrica de sostenibilitat és el mètode de mesura i seguiment d’un indicador, que es pot mesurar de manera quantitativa o qualitativa, com l’evolució de la quantitat de COVs d’un procés de producció en un any [6]. Recopilant totes les mètriques utilitzades de manera quantitativa, es pot calcular l’índex de sostenibilitat, mitjançant un algoritme específic. 3.4.1. Característiques dels indicadors de sostenibilitat Per poder obtenir un índex de sostenibilitat fiable, és necessari que els indicadors tinguin unes característiques ben definides, com les següents [6]: • Mesurables: L’indicador es pot mesurar quantitativament en un fenomen que és un motiu de preocupació relacionat a la sostenibilitat. • Rellevants i comprensius: L’indicador ha de proporcionar informació útil sobre la sostenibilitat. • Comprensibles i significatius: L’indicador ha de ser fàcil d’entendre per la comunitat i els empleats. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 19 • Manejables: Els indicadors estan limitats al nombre mínim necessari per complir l'objectiu de les mesures. • Fiables: la informació proporcionada per l'indicador hauria de ser de confiança. • Fàcil accés a la informació: L’indicador s'ha de basar en dades accessibles. La informació ha d'estar disponible o es pot recopilar quan sigui necessària a partir de fonts existents o d'una altra manera fàcil de recollir. • Manera oportuna: La mesura es realitza amb la freqüència per permetre una presa de decisions ràpida. 3.4.2. Exemples d’índexs de sostenibilitat Mesurar la sostenibilitat es pot fer utilitzant diferents indicadors si es tenen en compte els aspectes socials, econòmics i mediambientals al mateix temps. Alguns indicadors de sostenibilitat i mediambientals disponibles al públic actualment són els següents: General Motors Metrics for Sustainable Manufacturing (GM M4SM) [10]: General Motors va definir el projecte com una revisió de les mètriques d'última generació per a la fabricació sostenible. L'objectiu del projecte és determinar quines mètriques per a la fabricació sostenible són les més òptimes per la seva implementació en totes les fàbriques que pertanyen a General Motors, però amb la possibilitat d’involucrar altres indústries. A partir d'aquest projecte, l'empresa recomana múltiples mètriques sota 6 categories principals: impacte ambiental, consum d'energia, participació dels empleats, gestió de residus, costos de fabricació i també mètriques adoptades d’altres empreses, com per exemple el Timberland’s Human Rights Code of Conduct que té com a objectiu assegurarse que els drets dels empleats estan respectats. Environmental Pressure Indicators for the European Union (EPI-EU) [11]: EPI-EU és el resultat del projecte Environmental Pressure Indices, que té com a objectiu donar una descripció completa de les activitats humanes més importants que tenen un impacte negatiu en el medi ambient per als països membres de la Unió Europea. L'EPI-EU conté 60 indicadors que donen una visió general de la pressió de les activitats humanes sobre el nostre entorn en 10 diferents àmbits. Tracten la contaminació atmosfèrica, el canvi climàtic, la biodiversitat i la dispersió de substàncies tòxiques. United Nations Commission on Sustainable Development Indicators (UN-CSD) [12]: La Comissió pel Desenvolupament Sostenible ( CSD) es va establir el desembre de l’any 1992, amb l’objectiu de supervisar els resultats de United Nations Conference on Environment and Development (UNCED) de l’any 1992, també conegut com a Earth Summit. L’any 2007, es van publicar un conjunt bàsic de 50 indicadors i un altre més ampli La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 20 de 96 indicadors, sota 14 temes diferents, revisats per un grup d'experts en l’any 2006. L’objectiu d’aquesta publicació és donar un punt de referència als països, per tal d’adoptar o adaptar els indicadors, però depenent de la situació econòmica, mediambiental, social o institucional en la qual es trobin. 3.4.3. General Motors Metrics for Sustainable Manufacturing General Motors, una empresa multinacional americana amb la seu en Detroit, Estats Units i fundada l’any 1908, és un dels productors d’automòbils més importants del món, amb 234500 empleats i que s’encarrega de dissenyar, fabricar i vendre cotxes i camions en aproximadament 140 països. L’any 2008, General Motors va vendre 8.35 milions de vehicles sota diferents marques com Hummer, Chevrolet, Cadillac, GMC i Opel. L’objectiu d’aquest índex de sostenibilitat [10], definit per General Motors com una revisió de les mètriques utilitzades actualment en el desenvolupament sostenible, és el de determinar quines mètriques s’han d’incloure en una estratègia de fabricació sostenible per poder aplicar-les en les seves pròpies fàbriques, gràcies a la recepció positiva de la reducció de l’impacte ambiental per part del públic. Per complir aquest objectiu, és necessari incloure fonts externes, que poden servir com a guia en el procés de recerca de les mètriques òptimes. La següent figura (Figura 9) suggereix una correlació entre el tipus de procés de fabricació i el valor accionarial. Utilitzant els “6 Elements d’Innovació” o “6R Innovation Elements” es pot observar que el valor accionarial té el potencial d’augmentar exponencialment en el cas de la fabricació sostenible, mentre que els mètodes que no es centren en la reducció de les seves petjades de carboni no presenten increments significatius en el seu valor. Tenint en compte aquesta predicció resulta fàcil realitzar que les mètriques han de satisfer uns determinats criteris: cobrir les necessitats de qualsevol entitat relacionada amb l’empresa, facilitar la innovació i el desenvolupament continu dels processos de producció i ser compatible amb els sistemes empresarials actuals. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 21 Figura 9 – Previsió de l’evolució en el temps del valor accionarial en funció del tipus de procés de fabricació Font : [10] Aquest índex de sostenibilitat està separat en 6 categories, que tracten del medi ambient, energia, residus i empleats, però també adopta mètriques externes que s’enfoquen principalment en el factor humà. A continuació es poden observar alguns exemples de mètriques suggerides per la seva possible aplicació ulterior dins de les instal·lacions que pertanyen a General Motors. I. El medi ambient és un dels factors més importants respecte a la recerca i desenvolupament en l’àmbit de la sostenibilitat. Les mètriques suggerides es poden separar en dos grups: els contaminants emesos pels processos de producció de General Motors i els efectes d’aquests contaminants sobre el medi ambient. • Mesura continua de components orgànics volàtils (COVs) emesos (kg/vehicle) • Mesura continua del nivell de contaminants en les aigües residuals • Objectiu de reduir les emissions de CO2 amb 8% entre els anys 2005-2010 i 20% més fins l’any 2015. • Petjada de carboni dels viatges de negocis • Mesura del nombre d’empleats que utilitzen mètodes de transport menys contaminants • Mesura de contaminants en l’aire i aigua de l’entorn de les plantes de producció La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 22 • Càlcul de la quantitat d’aigua utilitzada, amb l’objectiu de reutilització total II. En el cas del consum energètic, reducció del qual és un repte molt important per la majoria de les empreses, especialment en la producció de béns, es proposen adoptar les següents mètriques: • Percentatge d’energia renovable utilitzada per cada planta • Raó de reutilització d’energia • Quantitat d’energia reutilitzada • Capital estalviat degut a la inversió en mètodes energèticament eficients • Energia utilitzada anualment en la producció d’una sola unitat III. Respecte a la salut personal, es suggereix adoptar mètriques d’altres empreses. Un exemple molt important és el Codi de Conducta de Timberland, mètriques del qual tenen com a objectiu permetre el dret d’associació, satisfer les necessitats dels empleats com la salut i la seguretat al lloc de treball i també promoure l’igualat al lloc de treball. IV. En la categoria de gestió de residus, es proposen mètriques que tracten del reciclatge i eliminació de qualsevol subproducte dels processos de producció, com: • Introducció d’un sistema de gestió de residus mitjançant mètodes de separació i reciclatge • Reutilització d’aigua residual mitjançant filtració • Redissenyar processos per evitar l’excés de residus • Trobar aplicacions per tots els residus i subproductes V. Els costos de producció d’una planta estan molt relacionats amb els equips utilitzats, aconseguint la seva reducció mitjançant l’ús òptim de la maquinaria disponible. Algunes de les mètriques suggerides en aquest àmbit són: • Supervisar el consum energètic de l’equip • Reutilitzar materials reciclables • Eliminar els recobriments utilitzats en el transport dels productes o matèria primera Tot i que aquest índex de sostenibilitat serveix com a guia en la presa de decisions respecte al tema de la sostenibilitat, s’ha de tenir en compte que és necessària la participació i educació dels empleats a tots els nivells de l’empresa, d’aquesta manera aconseguint que els seus objectius es poden dur a terme amb poca dificultat. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 23 4. DESTIL·LACIÓ SOSTENIBLE La destil·lació és el mètode de separació de fluids més pràctic i utilitzat en les indústries de procés, però també és un dels processos que consumeixen més quantitat d’energia en forma d’electricitat i calor, resultant en un alt cost econòmic. Un dels problemes que la indústria de procés s’està afrontant actualment, és la baixa eficiència energètica, transformant la destil·lació en l’objectiu principal dels esforços d’augment del rendiment, mitjançant la millora de l’equip, combinant els processos de destil·lació amb uns altres de separació o reacció de manera eficient o reduint el consum energètic aprofitant la calor residual del mateix procés. La necessitat de reduir el consum energètic dels processos de destil·lació sense perdre eficiència es deu a molts factors, els més importants sent la reducció de costos de producció, les noves legislacions promulgades per les institucions estatals amb l’objectiu de tenir una petjada de carboni mínima, sinó nul·la, la conscienciació de la societat respecte a la situació climàtica actual i la pressió per part dels accionaris, mostrada anteriorment (Figura 8). La problemàtica dels nous dissenys de les torres de destil·lació és que en utilitzar les noves tecnologies d’estalvi energètic, també poden augmentar les despeses a llarg termini, depenent del preu i la quantitat d’equip nou que es va adquirir. L’opció més costosa i més associada al risc en aquest aspecte és implementar columnes teòricament i experimentalment provades, però industrialment encara no aplicades, que ofereixen un potencial d'estalvi energètic més enllà del que s'aconsegueix amb les destil·lacions assistides per bombes de calor convencionals [13]. Algunes de les configuracions possibles per reduir el consum energètic en les torres de destil·lació són la DWC o dividing wall column, però també s’està investigant la possibilitat d’utilitzar la columna de destil·lació amb integració interna de calor, referida com a HIDiC o internally heat integrated distillation column. Una altra opció respecte a la sostenibilitat és la reutilització de la calor residual d’alguns processos per escalfar els seus propis reactius o aliments, per tal de reduir l’energia consumida i evitar pèrdues de calor innecessàries. En el cas del procés de destil·lació, la calor d’algun producte es pot reutilitzar per escalfar l’aliment que entra a la columna, reduint el treball fet pel calderí. A continuació es presentaran diferents mètodes i tipus de columnes utilitzades actualment que redueixen el consum energètic en comparació amb una columna de destil·lació tradicional. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 24 4.1. Columnes 4.1.1. Dividing wall column (DWC) Una DWC, o columna amb paret divisòria, és un tipus de columna de destil·lació que té com a objectiu separar mescles multicomponent utilitzant una sola carcassa. L’aplicació d’aquest mètode es va efectuar per primera vegada l’any 1985 en Ludwigshafen, Alemanya, en una planta de BASF, una empresa que és un dels majors productors químics del món. Després de 10 anys, altres empreses van realitzar que fent modificacions adequades per separar un flux d’entrada en 3 productes en una sola columna, permet estalviar costos operatius i d’inversió. Actualment hi ha més de 70 columnes DWC operades per BASF a tot el món [14]. El funcionament d’una DWC es basa en la configuració Petlyuk. Com es pot observar en la següent figura (Figura 10), utilitzant aquesta configuració i una mescla de 3 components, en la primera columna es produeix una separació ràpida del component A i el component C, que són els components més i menys volàtils, respectivament, mentre que el component B, que té el punt d’ebullició mitjà, acompanya els dos fluxos de sortida. A continuació, es produeix una nova separació en la segona columna, per obtenir components d’alta puresa. Comparat amb una configuració de dues columnes estàndard en sèrie, la quantitat d’energia consumida es redueix amb 30% [14]. Figura 10 – Exemple d’una configuració Petlyuk per la destil·lació d’una mescla amb 3 components Font: [14] La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 25 Si s’aconsegueix integrar les dues columnes d’una configuració Peltyuk en una sola carcassa, s’obté una DWC. Aquest tipus de columna pot utilitzar plats o diferents tipus de rebliment per la separació vapor-líquid. Les DWCs amb plats són més fàcils de construir i les parets internes s’han de soldar, augmentant l’estabilitat, mentre que les columnes amb rebliment són més complexes en la seva construcció [15]. Una característica específica d'una DWC és que la distribució de líquid a les seccions separades de columna es poden controlar mitjançant mètodes mecànics mentre que la distribució de vapor es determina per la caiguda de pressió en els seus elements interns. Sent la variable de disseny més important, cal que la caiguda de pressió estigui ajustada per encaixar a les proporcions requerides de líquid - vapor [16]. A continuació, es pot observar una imatge d’una DWC amb rebliment i un esquema de la seva configuració interna per a la separació a buit d'una barreja de quatre components a substàncies pures (Figura 11). Diversos llits de diferents alçades i àrees de secció estan separats per les parets divisòries, alguns dels quals no estan situats al centre. Figura 11 – Esquema de la configuració interna d’una DWC i una fotografia d’una DWC utilitzada actualment de 3,6 m de diàmetre intern i 34 m d'alçada Font: [16] La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 32 Amb la tecnologia VRC, el vapor que surt per la part superior de la columna passa per un procés de preescalfament per després augmentar la seva temperatura i pressió en un compressor, amb l’objectiu d’utilitzar-se com a font de calor pel líquid de la part inferior (Figura 16). Utilitzant la calor latent de condensació d’aquest vapor dins del bescanviador, el líquid obtingut passa per una vàlvula reguladora de pressió i un condensador, sortint a una temperatura i pressió igual al de la part superior de la columna, que es separa en el destil·lat i el reflux. Figura 16 – Esquema d’una DWC amb recompressió de vapor Font: [20] Tot i que el procés sembla adequat, especialment per una columna amb baixa eficiència energètica, per obtenir un avantatge econòmic i un rendiment alt, el procés es pot millorar amb l’ús d’encara més intercanviadors de calor, aprofitant la calor del vapor comprimit per preescalfar el mateix flux, el destil·lat que es recircula dins de la columna i un flux intermedi (Figura 17). La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 33 Figura 17 – Esquema d’una DWC amb recompressió de vapor optimitzada Font: [20] Segons un estudi [20], en un sistema que utilitza una columna DWC per separar una barreja de benzè, toluè i p-xilè, l’ús de la configuració de les figures anteriors (Figura 16 i Figura 17) aconsegueix reduir els costos anuals totals amb 37.5% i 49.44%, respectivament, en comparació amb una configuració habitual. Una altra major diferència entre els dos casos és la reducció del consum d’aigua com a refrigerant en la configuració optimitzada, però que presenta majors costos de manteniment respecte al primer a causa de l’augment d’equips requerits. 5.2. DWC amb sistema d’integració de calor En comparació amb una columna que utilitza només la tecnologia amb recompressió de vapor, la configuració d’una HIDiC té el potencial d’augmentar encara més l’estalvi d’energia. No obstant, encara que la configuració va aparèixer en la dècada del 1970, després d’una crisi energètica global, aquesta no es pot comercialitzar per l’ús industrial, a causa del seu disseny complex que contribueix a uns alts costos d’inversió. A més, encara falta el coneixement sobre la seva viabilitat i eficiència, circumstància que dificulta la seva posada en practica a escala comercial [22]. Considerant aquests inconvenients i amb l’objectiu de determinar la viabilitat de la integració de calor en la destil·lació discontinua, K. Jana [23], va proposar una combinació del sistema HIDiC amb una DWC per la separació d’una barreja de metanol i aigua. En la La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 34 configuració proposada (Figura 18), la columna esta partida verticalment en dos semicilindres mitjançant una paret interna de metall. La part esquerra conté el calderí mentre que el condensador es queda en la part dreta. Per generar una font de calor dins de la columna, el vapor que surt per la part esquerra passa per un compressor i entra a la secció dreta de la columna, d’aquesta manera la paret interna aprofita la diferència de pressió i temperatura per actuar com a intercanviador de calor. El líquid obtingut en aquesta secció s’utilitza com a aliment per l’altra part de la columna, però no abans de passar per una vàlvula reguladora de pressió. El que s’obté és una reducció del consum energètic en el calderí i el condensador. Figura 18 – Esquema d’una DWC amb integració de calor Font: [23] Tot i que des d’un punt de vista tècnic el sistema és més simple que una HIDiC convencional, l’ús d’equips addicionals com el compressor i la paret interna de la columna implica tenir un període d’amortització de 3.8 anys i un increment de la inversió de capital de 34.16%, encara que els costos energètics anuals es reduirien amb 66.54%. L’any 2019, el mateix autor [22], va proposar una nova configuració, intentant millorar el sistema anterior amb l’ús de la tecnologia de recompressió de vapor. En aquest model (Figura 19), el flux de vapor de la secció d’alta pressió que surt per la part superior de la columna es bifurca. Dels dos fluxos, un entra al condensador i l’altre passa per un compressor, amb l’objectiu d’augmentar la seva pressió i temperatura. Aquest vapor d’alta La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 35 pressió passa pel calderí en el qual es condensa, augmentant la temperatura del flux de recirculació de la secció esquerra per desprès tornar al reflux de la secció dreta a una pressió adequada amb l’ajuda d’una vàlvula reguladora de pressió. Figura 19 – Esquema d’una DWC amb recompressió de vapor optimitzada Font: [22] En el cas d’obtenció d’acetat d’etil mitjançant un procés d’esterificació d’àcid acètic i etanol, l’ús del sistema proposat resulta en una reducció dels costos de funcionament anuals de 67.12% i només un cost d’inversió amb 16.56% més alt que una columna de destil·lació convencional, obtenint un període d’amortització de només 1.72 anys. Observant els dos casos, els sistemes de destil·lació proposats resulten prometedors des d’un punt de vista econòmic, però el fet de ser un concepte relativament nou i la falta de recerca dificulten la seva possible implementació a escala industrial. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 36 6. CAS D’ESTUDI Com que actualment en l’àmbit industrial de la destil·lació un dels problemes més importants respecte a la sostenibilitat és l’alt cost de funcionament de les columnes de destil·lació, que es deu al baix rendiment i la necessitat d’escalfar grans quantitats de líquids, es proposa desenvolupar uns models de destil·lació binària sostenibles basats en algunes tècniques d’estalvi energètic utilitzades actualment. Respecte el procediment, per tal d’obtenir resultats fiables i optimitzats, s’utilitzarà el programa de simulació UniSim Design, que implícitament conté una base de dades amb propietats i reaccions de la majoria de substàncies utilitzades actualment en la indústria química, reduint la necessitat d’utilitzar taules i gràfics externs. Els resultats obtinguts es compararan amb un sistema simple, per tal de comprovar si l’estalvi energètic és significatiu. 6.1. Programa de simulació UniSim Design UniSim Design és un programa de modelització de processos, que ajuda als enginyers optimitzar, simular o supervisar els processos químics d’una planta o desenvolupar nous projectes. Mitjançant la utilització de principis de termodinàmica i balanços de matèria i energia, com també les propietats físiques i químiques d’una gamma àmplia de substàncies, el programa facilita el desenvolupament de les plantes industrials, ajudant a trobar el punt òptim entre una bona qualitat de producte i eficiència tèrmica dels processos. El programa s’utilitza per nombroses empreses, en branques industrials com: química, petroli i gas, petroquímica, generació d’electricitat i biocombustibles. El programa va originar l’any 1996, quan uns investigadors de la Universitat de Calgary van publicar el programa HYSYS i van fundar l’empresa Hyprotech. AspenTech va comprar aquesta empresa l’any 2002 i va continuar desenvolupant el programa per crear Aspen HYSYS. En 2004, Honeywell va adquirir la propietat intel·lectual d’Aspen HYSYS i també va obtenir un contracte de 2 anys en el qual AspenTech havia de proporcionar a Honeywell el codi font de qualsevol innovació i desenvolupament dels productes Hyprotech. A més, Honeywell va contractar un nombre important de desenvolupadors i enginyers tècnics d’Aspen HYSYS [24]. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 37 6.2. Model de destil·lació binària El model que es proposa a continuació es basa en la destil·lació d’una mescla binària, formada per metanol i aigua, amb una composició molar de 20% en metanol. Es vol obtenir un producte concentrat amb 99.9% en mols de metanol i una dissolució amb 0.01% en mols de metanol utilitzant una columna de 20 plats. Una variable molt important és la temperatura de 24 ºC de l’aliment, que amb els diferents models variarà abans d’entrar en la columna amb un cabal d’entrada de 200 kmols/h. En primer lloc, es dissenya un model simple d’una sola columna de destil·lació amb un aliment per sota de la seva temperatura d’ebullició. En el segon model, s’aprofita la calor que es perd amb el destil·lat per escalfar tot l’aliment, augmentant la seva temperatura en entrar dins de la columna. A continuació, mitjançant el mètode de feed splitting, la calor perduda amb el destil·lat s’utilitza per augmentar la temperatura d’una part de l’aliment, obtenint un flux calent i d’un altre fred, que entren simultàniament a la columna. Finalment, en l’últim model s’utilitzarà la tecnologia de recompressió de vapor per escalfar l’aliment amb el flux de vapor que surt per la part superior de la columna. L’objectiu de les simulacions és determinar si en una destil·lació simple, l’aprofitament d’energia residual mitjançant unes modificacions mínimes del sistema resulta en una reducció de consum energètic tan gran que és energèticament viable i d’aquesta manera, més sostenible. Les dades inicials es poden observar en la Taula 2. La mescla F de tipus miscible està a una pressió ambiental, amb el metanol sent la substància més volàtil. Taula 2 – Dades inicials del flux d’aliment Font : pròpia Variable Valor tF (temperatura aliment) 24 ºC XF (fracció molar de metanol) 0.20 F (cabal aliment) 200 kmol/h PF (pressió aliment) 101.3 kPa La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 38 6.2.1. Determinació del nombre de plats El primer model es basa en una destil·lació simple, que utilitza el Fluid Package UNIQUAC amb un model d’activitat RK per al vapor, que requereix només una columna de destil·lació amb el calderí i condensador, en la qual la mescla binària entra a una temperatura de 24 ºC, per sota a la d’ebullició. L’esquema del sistema es pot trobar a continuació (Figura 20), en la qual Qc és la calor que s’ha d’extreure amb la condensació del metanol, mentre que el Qw representa l’energia en forma de calor que el calderí ha d’aportar per arribar per sobre de la temperatura d’ebullició de la mescla. Figura 20 – Esquema d’una columna de destil·lació simple Font: pròpia Una incògnita molt important és el nombre de plats de la columna, que es pot calcular gràficament utilitzant l’equilibri líquid-vapor dels dos components i el mètode McCabeThiele, però depenent del model utilitzat, les propietats termodinàmiques dels components i de la mescla varien, obtenint diferents resultats i augmentant la possibilitat d’error. En un exemple de destil·lació simple d’una barreja de 2-propanol i àcid acètic amb una fracció en mols de 60% de 2-propanol que es vol separar en 2 productes amb 99% i 3% en mols del component més volàtil, es va utilitzar el mètode McCabe-Thiele (Figura 21) en un gràfic d’equilibri líquid vapor dels dos components de Dortmund Data Bank [25]. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 39 Figura 21 – Mètode McCabe-Thiele per calcular el nombre de plats teòrics Font: pròpia El valor de q, és el quocient entre la calor necessària per vaporitzar un kilomol d'aliment i la seva entalpia de vaporització en el cas que l’aliment entra a la columna a una temperatura inferior al d’ebullició. Per tant, per determinar el valor de q s’utilitza la següent equació: 𝑞 = 𝐶𝑝 ∗ ∆𝑇 + 𝝀𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑖𝑡𝑧𝑎𝑐𝑖ó 𝝀𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑖𝑡𝑧𝑎𝑐𝑖ó Creant un flux amb les mateixes propietats que l’aliment, però variant la temperatura o la fracció de vapor, es pot determinar la temperatura d’ebullició, la capacitat calorífica i l’entalpia de vaporització de l’aliment. Variant la temperatura, s’observa que després de La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 40 92.5 ºC, abans d’arribar a la temperatura d’ebullició de 97.85 ºC, el valor de Cp es redueix considerablement, els valors estant representats en la Taula 3. Utilitzant Excel, podem representar els valors en un gràfic (Figura 22), obtenint dues rectes: una entre 20 i 92.5 ºC, i l’altre entre 92.5 i 97.85 ºC. Taula 3 – Variació de la capacitat calorífica en funció de la temperatura, on t és la temperatura de l’aliment i Cp la capacitat calorífica Font: pròpia t (ºC) Cp ( kJ/kmol·ºC) 20 147,9 30 149.7 40 151.7 50 153.8 60 156 70 158.3 80 160.9 90 163.6 92.5 164.3 94 149.3 95 140.8 96 133.2 97 126.3 97.85 120 Figura 22 – Variació de la capacitat calorífica en funció de la temperatura expressada gràficament Font : pròpia y = 0.2278x + 142.77 R² = 0.9958 y = -8.1668x + 918.03 R² = 0.9939 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 010 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Cp (kJ/kmol·ºC) t (ºC) Relació Cp - t La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 41 Substituint les dues equacions de les rectes i els intervals de temperatura, com també el valor de λvaporització que és de 33790 kJ/kmol, la formula per determinar el valor de q resulta ser: 𝑞 = [0.2278𝑥 + 142.77]20 92.5 + [−8.1668𝑥 + 918.03]92.5 97.85 + 33790 33790 𝑘𝑗 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑘𝑗 𝑘𝑚𝑜𝑙 El resultat obtingut és 𝑞 = 1.356. Traçant totes les rectes requerides, es determina que són necessaris 16 plats i que l’aliment ha d’entrar pel 5e plat. El valor de 𝑋𝐷 𝑅𝑚𝑖𝑛+1 és 0.585, resultant en un valor de 𝑅𝑚𝑖𝑛 = 0.6923. La raó de reflux mínima és el mínim valor amb el qual és possible separar una mescla tenint en compte que el nombre de plats de la columna serà infinit. Observant el segon punt d’intersecció que passa per la recta 𝑦 = 0, es pot determinar la raó de reflux, que és 𝑅𝑒 = 1.08. Per comprovar els resultats obtinguts en UniSim, s’utilitza un separador de components o component splitter, en el qual s’introdueixen les composicions desitjades en els productes, la pressió en la columna, la raó de reflux i també el flux d’entrada (Figura 23). Figura 23 – Condicions inicials utilitzant un separador de components Font : pròpia La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 48 Taula 6 – Treballs efectuats pel condensador i el calderí en modificar el plat d’entrada de l’aliment Font: pròpia Plat d'entrada Raó de reflux Flux de calor calderí (kJ/h) Flux de calor destil·lat (kJ/h) 10 3.914 7.405E+06 6.917E+06 11 3.041 6.176E+06 5.688E+06 12 2.530 5.458E+06 4.969E+06 13 2.206 5.001E+06 4.512E+06 14 1.993 4.702E+06 4.213E+06 15 1.868 4.526E+06 4.037E+06 16 1.853 4.504E+06 4.016E+06 17 2.195 4.986E+06 4.498E+06 18 3.468 6.777E+06 6.289E+06 De les dades obtingudes anteriorment es pot arribar a la conclusió que en canviar el plat d’entrada de l’aliment a una posició inferior, al 16è plat, es pot obtenir una reducció del treball fet pel calderí, amb una petita fluctuació en la raó de reflux i la calor que el condensador ha d’extreure del sistema. 6.2.4. Model de destil·lació amb preescalfament parcial En aquest tercer model, es desitja separar l’aliment en dos fluxos, preescalfant el primer mitjançant l’intercanviador de calor mencionat anteriorment mentre que el segon entra a la columna a la seva temperatura inicial (Figura 30). S’ha de determinar a quina proporció d’aliment fred s’aconsegueix una reducció considerable de l’energia proporcionada pel calderí sense augmentar el treball fet pel condensador, com també determinar els plats òptims d’entrada de l’aliment. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 49 Figura 30 – Esquema en UniSim del sistema amb preescalfament parcial de l’aliment mitjançant el flux de destil·lat Font: pròpia Com que el preescalfament total de l’aliment sense optimitzar la posició del plat d’entrada comporta un augment en la raó de reflux, es proposa que en aquest sistema l’aliment fred entri per un plat superior de la columna per mantenir la raó de reflux, mentre que el flux d’aliment calent redueix la quantitat de calor que el calderí ha d’aportar al sistema. L’operació de reciclatge, com en el sistema previ, és necessària per emmagatzemar els valors inicials del producte destil·lat, amb les quals UnisSim calcula la temperatura de l’aliment que surt del bescanviador i que posteriorment entra a la columna, en la qual es calculen de nou les noves propietats del destil·lat. En el cas d’una variació significant en les propietats emmagatzemades i les calculades, el programa reutilitza els nous valors fins que aquests coincideixen. En aquest nou sistema, comparat amb el preescalfament total, s’introdueix una nova variable, la fracció d’aliment que surt del separador i entra al bescanviador, que influeix en el càlcul del treball mínim del calderí. Com que és necessari modificar també els dos fluxos d’entrada d’aliment, s’ha de recórrer a l’ús de l’eina d’optimització, o Optimizer, d’UniSim (Figura 31). En obrir el full de càlcul extern, o SpreadSheet, es poden introduir les 3 variables com també els fluxos de calor del calderí i el condensador, que no es poden modificar, però s’utilitzen per observar l’evolució del procés. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 50 Figura 31 – Secció de variables de l’eina d’optimització d’UniSim amb els resultats obtinguts Font: pròpia A continuació, s’afegeixen les 5 variables en l’Optimizer, per tal d’utilitzar-la en la secció Functions, en la qual es pot seleccionar la incògnita que es vol minimitzar, en aquest cas el treball del calderí, i una funció en la qual la variable que correspon al plat d’entrada d’aliment fred és inferior al de l’aliment calent (Figura 32). Figura 32 – Secció de funcions del programa on es pot seleccionar la variable que es vol minimitzar, en aquest cas sent el flux de calor del calderí Font: pròpia La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 51 En els resultats obtinguts (Figura 31), es pot observar que en comparació amb el sistema simple, amb 2 entrades d’aliment en el 15è i 16è plat, es va obtenir una reducció en el consum del calderí i el treball del condensador gairebé no varia, però aquests valors són inferiors amb aquestes especificacions respecte al sistema amb preescalfament total. 6.2.5. Sistema amb preescalfament total i recompressió de vapor En l’esquema del sistema amb recompressió de vapor observat anteriorment (Figura 16), el flux de vapor que surt per la part superior de la columna passa per un compressor, augmentant la seva pressió i temperatura per poder actuar com a font d’energia per la columna en el calderí o algun altre tipus d’intercanviador de calor, per llavors condensarse i recircular una part dins de la columna com a reflux. Tot i que en teoria aquest sistema pot aconseguir unes reduccions energètiques significatives, en el cas de les mescles azeotròpiques la diferencia en les temperatures d’ebullició o les fraccions molars poden generar uns requisits de pressions molt altes en els compressors o grans superfícies de contacte en els bescanviadors, resultant en un augment en els costos d’inversió o de funcionament. Per tant, es proposa un sistema relativament senzill (Figura 33), en el qual el flux de vapor que surt per la part superior de la columna augmenta la seva pressió i temperatura mitjançant un compressor per després escalfar el flux d’aliment de la columna dins d’un bescanviador, aprofitant d’una part de la seva calor latent. En sortir del bescanviador encara amb una pressió alta, el flux passa per una vàlvula reguladora, baixant la seva pressió a l’atmosfèrica, i posteriorment per un condensador i un separador, obtenint el reflux i un producte altament concentrat en metanol. Figura 33 – Model proposat amb un sistema de recompressió del vapor de metanol Font: pròpia La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 52 En aquest últim cas, a diferència de l’anterior, es van utilitzar dos blocs lògics de reciclatge: un pel reflux del condensat i l’altre per l’aliment, per poder emmagatzemar les seves propietats en sortir del bescanviador i evitar un bucle d’error en el sistema columnacompressor-bescanviador. En obrir l’eina d’optimització del programa, s’introdueixen en el seu full de càlcul 3 variables diferents: la fracció molar del vapor que surt de la columna, el treball del calderí i un flux de calor extern, que serveix com a referència en la secció Functions de l’Optimizer. (Figura 34). Figura 34 – Full de càlcul de l’eina d’optimització d’UniSim, on es poden introduir les variables que es volen minimitzar, maximitzar o afegir com a referència en una funció Font: pròpia En tornar a la finestra principal de l’eina, en la secció Functions, es selecciona la cel·la corresponent a la fracció molar de metanol per maximitzar-la i s’introdueix una nova funció, en la qual el valor que correspon a la cel·la del flux de calor en el calderí ha de ser més petita que el valor de referència extern de 4000 MJ/h, per tal de descartar una major part dels valors no desitjats en el procés d’optimització (Figura 35). La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 53 Figura 35 – Secció de funcions on es desitja maximitzar la concentració de metanol en el condensat mentre que el flux de calor del calderí no hauria de superar un valor de referència Font: pròpia A continuació es van introduir 4 variables que s’han de calcular per obtenir la concentració màxima de metanol en el condensat: El plat d’entrada de l’aliment, la fracció de reflux extern, la caiguda de pressió en la carcassa del bescanviador i la temperatura del vapor en sortir del compressor. Les ultimes dues variables seleccionades són necessàries per obtenir 0 graus de llibertat per al càlcul en el bescanviador; introduint més o menys valors pot augmentar la possibilitat d’error. També es van afegir els fluxos de calor i energia del sistema, a més de les fraccions molars dels productes per una lectura més senzilla dels resultats (Figura 36). La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 54 Figura 36 – Resultats obtinguts per al model amb recompressió de vapor optimitzat Font: pròpia Finalment, en iniciar l’eina múltiples vegades, determinant els límits de càlcul de les variables, es va obtenir un destil·lat amb una concentració de 99.9% en aigua i un condensat d’una puresa més baixa, de 99.86% en metanol. El consum energètic en el calderí va baixar considerablement respecte al sistema simple com també el treball fet pel condensador, però és necessari tenir en compte que la introducció del compressor comporta un consum energètic addicional d’un ordre de magnitud més baix. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 55 6.3. Anàlisis de resultats A continuació es pot trobar una taula amb el consum energètic obtingut en cada sistema analitzat (Taula 7). Com es pot observar, es va intentar mantenir el nivell de la raó de reflux per poder reduir el consum energètic en el condensador, o fins i tot reduir-lo. A diferència dels altres sistemes, l’últim presenta un consum energètic addicional en el compressor, fet que comporta unes despeses de funcionament i manteniment addicionals, a part de la inversió de capital. Taula 7 – Comparació dels resultats obtinguts en cada cas estudiat Font: pròpia Sistema de destil·lació Raó de reflux Fracció molar d'aliment escalfat Flux de calor condensador (MJ/h) Flux de calor calderí (MJ/h) Energia consumida compressor (MJ/h) Simple 1.782 0 3916 5027 0 Preescalfament total 1.853 1 4016 4504 0 Preescalfament parcial 1.858 0.685 4032 4580 0 Preescalfament amb recompressió de vapor 1.756 1 3219 3985 345 En la següent figura es va calcular l’estalvi obtingut en analitzar l’energia extreta del sistema pel condensador de cada cas respecte al condensador del sistema simple. A més es va dur a terme el mateix càlcul en el cas de l’energia aportada per el calderí al sistema, com també un càlcul de l’estalvi de l’energia total aportada al sistema, que en el cas dels primers dos models amb preescalfament no es canvia, però si en el model amb recompressió de vapor, a causa d’utilitzar un compressor. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 56 Figura 37 – Comparació de l’estalvi energètic en les diferents fonts de calor i refrigeració per cada cas estudiat respecte al model simple Font: pròpia Es pot observar que amb el preescalfament total i el parcial de l’aliment no s’aconsegueix reduir el treball fet pel condensador, però si en el calderí. Una diferència que es destaca entre aquests dos sistemes és que el consum en el calderí quan l’aliment s’escalfa parcialment és superior al valor obtingut en el sistema amb preescalfament total, i considerant que el sistema requereix més equips sense aconseguir resultats favorables, no seria aconsellable utilitzar-lo mentre que existeix un sistema més eficaç. En l’últim model, el bescanviador utilitzat aprofita part de la calor del vapor ric en metanol per introduir-la de nou a la columna, d’aquesta manera començant ja a condensar-se i reduir el flux de calor en el condensador, aconseguint un estalvi significatiu de 17.8%. En el calderí, s’aconsegueix reduir el consum energètic amb 20.73%, un valor important pel procés de destil·lació que habitualment té una baixa eficiència tèrmica, però en sumar el consum del compressor, l’estalvi energètic es redueix a 13.87%, un valor encara significatiu si el cost d’inversió i operació dels equips addicionals resulta rendible. -2.55 -2.96 17.80 10.40 8.89 20.73 13.87 -10 -5 0 5 10 15 20 25 Simple Preescalfament total Preescalfament parcial Preescalfament amb recompressió de vapor Grau d'estalvi (%) Estalvi d'energia respecte al sistema simple Estalvi energia condensador Estalvi energia calderí Estalvi energia calderí + compressor La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 57 7. CONCLUSIONS Un cop fet el treball, s’ha pogut arribar a una sèrie de conclusions respecte a la informació recollida, el programa de simulació de processos i el cas d’estudi analitzat: • La noció de sostenibilitat és encara relativament nova en el món de la indústria química, normalment resultant en estudis amb l’objectiu de reduir el consum energètic dels processos de separació i només obtenir el màxim benefici econòmic sense afectar la producció, tot i que no és una mala idea. Una reducció en el consum energètic o el desenvolupament de noves columnes de destil·lació que separen múltiples components, reduint l’espai ocupat per les plantes químiques, és més favorable pel medi ambient i la societat que una indústria estancada. • La segona part del treball va portar més complicacions, el fet d’escollir el primer mètode de reducció del consum energètic amb preescalfament total sent relativament fàcil, com també la simulació del procés. En el sistema amb preescalfament parcial, optimitzar el sistema va resultar difícil a causa de no utilitzar inicialment el bloc lògic de reciclatge o un full de càlcul del programa, el procés sent especialment lent. El tercer sistema proposat va ser inicialment un model amb recompressió de vapor en el qual el calderí va ser substituït per un bescanviador de calor en el qual el vapor comprimit de la part superior de la columna actuava com a font de calor, però aquest no portava massa energia i les concentracions molars en els productes van ser molt baixes. Finalment, com que els dos models anteriors s’utilitzaven per escalfar l’aliment, es va proposar un sistema amb preescalfament d’aliment, però en aquesta situació, utilitzant la tecnologia de recompressió de vapor. • Respecte als resultats dels models analitzats en el cas d’estudi, s’ha arribat a l’objectiu plantejat, el de determinar si alguns dels mètodes de reaprofitament de calor aplicats en la indústria química o el sistema proposat aconsegueixen reduir el consum energètic en una simulació d’una destil·lació binària, els resultats sent relativament favorables. • Els programes de modelització de processos són una eina molt potent i interessant, fonamentals pel creixement dels futurs enginyers, que ajuden a determinar si noves idees proposades per reduir l’impacte ambiental de la indústria química són plausibles per posar en practica. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 64 Els fluid package més utilitzats són [27]: I. Equacions d’estat o EOS: ▪ Peng-Robinson : És un model d’equacions d’estat per uns rangs de temperatura i pressió molt alts que conté la base de dades més amplia d’interaccions de mescles binàries. És ideal pel càlcul d’equilibri líquid vapor, com també per mescles d’hidrocarburs. ▪ SRK : El model Soave-Redlick-Kwong és similar al Peng-Robinson, però amb uns rangs de pressió i temperatura més baixos, que no es pot utilitzar per components no-ideals com alcohols o àcids. II. Models d’activitat ▪ NRTL: L’equació Non-Random-Two-Liquid és una extensió de l’equació de Wilson. Utilitza mètodes estadístics per representar les estructures dels líquids. ▪ UNIQUAC: L’equació UNIversal QUAsi Chemical és similar al model NRTL però amb l’avantatge de donar resultats precisos només utilitzant dos paràmetres ajustables per mescla binària. III. Models de pressió de vapor ( Vapour Pressure Models) ▪ Antoine: Aquest model és només aplicable per sistemes ideals de baixa pressió, especialment per sistemes d’hidrocarburs pesats. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 65 ▪ Braun K10: El model es pot aplicar solament en sistemes d’hidrocarburs pesats a baixa pressió. En el cas de la presència d’una gran quantitat de gasos àcids o hidrocarburs lleugers, la seva precisió disminueix. c) Reaccions: En aquesta secció s’introdueixen el tipus de reacció i els seus components que hi poden haver dins de les columnes o tancs del sistema simulat, com també el Fluid Package que es vol utilitzar. En tornar al Simulation Basis Manager, es pot entrar a l’entorn de simulació del programa amb el botó Enter Simulation Enviroment. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 66 2. Eines de simulació En accedir a l’entorn de simulació, en la part dreta es pot observar una eina que facilita la inserció de la majoria dels elements que formarien part d’un sistema de destil·lació, com fluxos de matèria i energia, evaporadors, columnes, tancs, intercanviadors de calor, vàlvules com també operadors lògics. L’eina es pot accedir utilitzant el menú en Flowsheet > Palette o el botó F4. Una de les eines més importants del programa és el Solver, que s’encarrega de tots els càlculs de la simulació, però només si té a la seva disposició totes les dades inicials necessàries. Es pot trobar sota el menú del programa, amb unes icones de semàfor de color verd i vermell que representen el seu funcionament (Figura 22). La icona del matràs Erlenmeyer serveix per tornar al Simulation Basis Manager. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 67 3. Flux de matèria Per crear un flux de matèria es selecciona la fletxa blava que s’arrossega cap a l’entorn de simulació. Amb un doble clic s’obra la finestra del flux de matèria, en la qual es poden observar diferents seccions que serveixen per modificar les seves propietats. En Conditions, pel cas que s’estudia, s’han d’afegir el nom, la temperatura, la pressió i el cabal màssic. En Composition, s’introdueixen els percentatges màssics o molars dels components de la mescla. Amb un doble clic sobre els valors de la taula, es pot obrir una finestra en la qual es pot seleccionar el tipus de percentatges o flux dels components, depenent dels valors inicials donats o desitjats en el cas d’estudi. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 68 En introduir les dades inicials i activar el Solver, la barra de color groc, que normalment adverteix sobre la manca o excés de dades introduïdes per l’usuari, es canvia a color verd per informar que el flux de matèria ja es pot utilitzar en la simulació. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 69 4. Columna de destil·lació A continuació, es pot afegir la columna de destil·lació que es pot identificar pels dos punts blau i vermell que representen el condensador i el calderí, respectivament. Amb un doble clic s’obra una finestra en la qual s’han d’introduir les dades inicials. En el primer pas, es designen els fluxos d’entrada d’aliment i de sortida dels productes, com també els fluxos de calor en el condensador i el calderí. En el condensador és possible seleccionar les condicions de reflux. A continuació, es poden esmentar les pressions en el calderí el condensador, com també les pèrdues de pressió amb el canvi de fase del condensat. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 70 Amb el botó Next, s’arriba a la següent pàgina en la qual l’usuari té l’opció d’afegir estimacions de les temperatures en el condensador i el calderí, tot i que no és obligatori. El pas final permet mencionar la raó de reflux o el cabal de condensat per una càlcul més ràpid dels productes i les seves concentracions. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 71 Amb el botó Done, es pot finalitzar el procés inicial i entrar a la pagina principal de les propietats de la columna. En el requadre blau es pot observar dos botons, Run i Reset, que en el moment que els paràmetres de disseny ja estan introduïts, s’utilitzen per començar el càlcul de la separació de components o restablir la columna a les condicions inicials, esborrant tots els càlculs previs, respectivament. A la dreta del Reset hi ha una eina que informa si amb les condicions inicials donades, s’ha obtingut la separació de components: Converged per confirmar mentre que amb Unconverged és necessària alguna modificació. En el requadre verd es poden observar totes les seccions que tracten de les condicions inicials de la columna, eines per analitzar la separació de components o les reaccions o mètodes de càlcul del cost de funcionament, de les quals les més importants pel cas estudiat són Design, Parameters i Worksheet. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 72 I. Design En aquesta secció es poden modificar els fluxos d’entrada i sortida de la columna, introduir condicions de flux, temperatura, composicions o pressions, com també supervisar l’evolució d’aquestes condicions en cada plat. Els apartats més importants són Connections, Monitor i Specs. Després de completar els passos inicials, s’accedeix a Design > Specs i mitjançant la funció Add, s’afegeix Column Component Fraction, que és la fracció d’un dels components de la mescla en un determinat plat o producte. S’introdueixen dues especificacions de les fraccions molars pel component menys volàtil en el condensat i el component més volàtil en el destil·lat, seleccionant Target type: Stream. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 73 En canviar del subapartat Specs a Monitor, tenint en compte que només les concentracions en massa en el condensador i el calderí han d’estar actives, es prem el botó Run per saber si el procés de destil·lació és possible i quins són els valors dels fluxos calor que entren o surten de la columna. S’ha de tenir en compte que el nombre de grau de llibertat, o Degrees of Freedom, del requadre groc ha de ser 0. S’ha de mencionar que en aquesta subsecció és possible introduir més especificacions amb el botó Add Spec. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 80 En la subsecció Parameters s’introdueixen les pèrdues de pressió en la carcassa i els tubs, com també el tipus de càlcul de transferència de calor, en estat estacionari o dinàmic. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 81 En la subsecció Rating > Sizing, és possible canviar el model TEMA del bescanviador com també el nombre de passos dels tubs per la carcassa o el sentit dels fluxos, que en el cas d’estudi, és una configuració BFU, en la qual els dos fluxos van a contracorrent, a causa de l’alta diferencia en temperatura que permet obtenir la màxima transferència de calor. III. Reboiled absorber Aquest tipus de columna es va utilitzar en l’últim model del cas d’estudi perquè no disposa d’un condensador pel vapor que surt per la part superior de la columna, podent afegir un després del procés de transferència de calor en el bescanviador. La seva icona es pot identificar per la figura de la columna amb un punt de color vermell en la posició del calderí. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 82 A diferència del tipus de columna observada anteriorment, en la subsecció Design > Connections, és necessari designar un flux d’entrada en el primer plat, un altre de vapor que surt per la part superior de la columna i el plat d’entrada d’aliment en el requadre Optional Inlet Streams. A més, en observar les especificacions del sistema en Monitor o Specs, els graus de llibertat del càlcul d’equilibri líquid-vapor requereix activar només un valor fix, en aquest cas sent la fracció molar d’aigua en el destil·lat. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 83 IV. Compressor El compressor, que es pot identificar per la icona presentada en la següent imatge, s’utilitza per augmentar la pressió i la temperatura del flux de vapor ric en metanol. En la subsecció Design > Connections es poden introduir els fluxos d’entrada i sortida de vapor com també anomenar la font d’energia de l’equip. En Parameters, és possible modificar l’eficiència adiabàtica del compressor, com també la seva potència, però en el cas d’estudi proposat no és necessari. El flux d’entrada té unes propietats que varien només amb les condicions internes de la columna mentre que el Solver del programa calcula automàticament l’energia requerida pel compressor per obtenir uns valors determinats de pressió o temperatura en el flux de sortida. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 84 V. Valvula reguladora Aquest equip, identificat per la icona de la següent imatge, és necessari per reduir la pressió del flux de matèria que surt del bescanviador de calor a un nivell similar al de la columna. A diferència de la majoria dels equips mencionats anteriorment, en la subsecció Design > Connections és només necessari introduir els fluxos d’entrada i sortida de la vàlvula. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 85 En Paramaters es pot modificar la caiguda de pressió del flux d’entrada, però com en el cas del compressor, la pressió en el flux de sortida és fixa mentre que la del flux d’entrada depèn del bescanviador de calor. Per tant, el Solver determina automàticament el valor de Delta P. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 86 VI. Condensador La funció d’un condensador, o Cooler, és el d’extreure energia en forma de calor del sistema per obtenir un flux de sortida amb unes propietats determinades. En el cas estudiat, la funció del condensador és la de realitzar el canvi de fase del vapor ric en metanol a un líquid de la mateixa pressió, d’1 atm. Com en el cas d’equips anteriors, s’han d’introduir els fluxos d’entrada i sortida de matèria com també un flux d’energia que en aquest cas és negativa, perquè surt del sistema. En Parameters, es poden modificar la caiguda de pressió i la calor extreta del sistema. Considerant que la caiguda de pressió és nul·la, com en els casos anteriors, el Solver determina automàticament el valor del flux de calor. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 87 VII. Full de càlcul El full de càlcul o Spreadsheet permet agrupar múltiples variables, algunes de les quals el Solver no pot calcular automàticament i modificar-les per observar la variació de resultats. En la secció Connections del full de càlcul es poden introduir diferents variables del sistema que es volen modificar o solament observar, com en el següent exemple. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 88 A continuació, utilitzant el botó Add Import del requadre Imported Variables, es poden introduir per dues variables que es poden modificar i una altra que és el resultat del Solver de la columna. Amb Spreadsheet Only, trobat en el requadre vermell, es pot accedir a un full de càlcul semblant a l’Excel en el qual es poden modificar els valors de la temperatura del vapor en sortir del compressor o la fracció molar del reflux de condensat en el separador mentre que el valor en negreta serveix per verificar si s’ha obtingut una bona separació. La destil·lació i la sostenibilitat Gabriel Iulian Dan Pàgina | 89 VIII. Operador lògic de reciclatge Aquest operador lògic s’utilitza principalment per emmagatzemar les dades del flux d’entrada i modificar el flux de sortida en el cas d’una variació significant en les seves propietats, amb una certa tolerància. En l’exemple de l’últim sistema del cas d’estudi, en sortir de la columna el vapor ric en metanol passa per múltiples equips fins a separar-se en dos fluxos: el reflux i el producte destil·lat. En arribar a l’operador lògic, el reflux amb unes certes propietats es compara amb el flux de sortida. En el cas d’una variació significant, l’operador de reciclatge modifica el flux de sortida per semblar al d’entrada i el Solver de la columna utilitza aquestes noves dades per obtenir nous valors del flux de vapor. Aquest procés continua fins que les propietats d’entrada i sortida de l’operador lògic són gairebé iguals.