Aspen plus/cosmo-rs multiscale ionic liquid conceptual process design: Aromatic/aliphatic separation and co2 capture
- Autores: Juan de Riva Silva
- Directores de la Tesis: José Francisco Palomar Herrero (dir. tes.), Víctor Ferro Fernández (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2017
- Idioma: inglés
- Número de páginas: 320
- Tribunal Calificador de la Tesis: Francisco Rodríguez Somolinos (presid.), Jorge Bedia García-Matamoros (secret.), Francisco Ismael Diaz Moreno (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Química Aplicada por la Universidad Autónoma de Madrid
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
- Resumen
La tesis doctoral cuya memoria representa este documento se ha desarrollado en la Sección de Ingeniería Química de la Universidad Autónoma de Madrid en la línea de investigación de líquidos iónicos y simulación liderada por los profesores Dr. José Palomar Herrero y Dr. Víctor Ferro Fernández, que, desde 2007, ha venido estudiando los líquidos iónicos desde diferentes perspectivas.
La formación del candidato a doctor se ha complementado con dos estancias de investigación de 3 meses de duración en la Universidad de Notre Dame, Indiana, Estados Unidos, bajo la supervisión de la profesora Dra. Joan F. Brennecke, en las cuales se ha estudiado los procesos de captura de CO2 por absorción química.
*** El uso de ILs constituye una de las posibles alternativas a los compuestos orgánicos convencionales. Los ILs tienen propiedades excepcionales, como son su baja volatilidad, su gran capacidad solvente y sus elevadas estabilidades térmica y química. Además, una gran ventaja consiste en que, mediante la modificación/permutación del catión y/o del anión se pueden lograr miles o incluso decenas de miles ILs con diferentes propiedades. Esto permite el diseño de sistemas de ILs con propiedades optimizadas para tareas específicas. Sin embargo, muchos de ellos poseen algunas propiedades indeseables que dificultan el desarrollo de estas aplicaciones a escala industrial. Algunas de las desventajas más destacables son su alta viscosidad (que dificulta los fenómenos de transporte), la elevada ecotoxicidad de algunos de ellos, los elevados precios tanto de los ILs, como de algunas de las materias primas más utilizadas para su síntesis, o la atomización de la comunidad científica en pequeñas comunidades que estudian aplicaciones muy especializadas.
Para obtener mayor eficiencia en la investigación con ILs, una opción es limitar, en la medida de lo posible, la cantidad de experimentación necesaria desde la concepción de la posible aplicación hasta su escalado a nivel industrial. Deben ser sólo los candidatos más apropiados a los que se les dediquen, avanzado el proceso de investigación, recursos económicos y personales en laboratorio, limitando los costes de dicha experimentación. Esto implica conocer las propiedades termodinámicas de los ILs y sus mezclas con todos los componentes del proceso sin la necesidad de obtenerlas de forma experimental.
La combinación de simulaciones molecular y de proceso mediante la utilización de la metodología multiescala desarrollada en el grupo de líquidos iónicos y que dio lugar, en 2013, a la tesis doctoral de la Dra. Elia Ruiz Pachón, permite incluir los ILs en los simuladores de proceso comerciales de la suite de programas AspenOne. Durante la tesis cuya memoria representa este documento, se amplió, desarrolló y aplicó esta metodología al estudio de diferentes aplicaciones para las cuales los ILs han sido ampliamente propuestos en bibliografía. Esto incluye:
• Selección de líquidos iónicos incluyendo criterios técnicos y económicos.
• Análisis del comportamiento de disolventes a escala de procesos con mezclas complejas multicomponente • Diseño de operaciones unitarias: análisis de variables, dimensionado de equipos comerciales, etc.
• Modelización de procesos completos: estimación de consumos energéticos y de químicos, costes, optimización, etc.
• Análisis de viabilidad de los nuevos procesos basados en líquidos iónicos por comparación con tecnologías convencionales.
*** En el capítulo 1, se estudian las operaciones individuales involucradas en el proceso de extracción líquido-líquido de compuestos aromáticos procedentes de nafta. Se estudia la regeneración del líquido iónico a través de la destilación a vacío utilizando corrientes de mezcla multicomponente. Se explora el uso de nueve ILs diferentes y sus mezclas, de binarias a cuaternarias (líquido iónico - líquido iónico), como disolventes de extracción. Se analizan los rendimientos de las operaciones individuales en diferentes condiciones de operación, incluido el tipo de líquido iónico, la relación disolvente / alimentación y la composición de la mezcla de hidrocarburos.
Se demuestra la capacidad de las simulaciones de procesos basadas en la metodología multiescala para tratar, con confianza, complejas mezclas multicomponente de hidrocarburos y ILs. Se muestra, a su vez, la bondad de esta metodología para simular con precisión operaciones unitarias con consistencia matemática.
En el capítulo 2, utilizando el líquido iónico 4-metil-N-butilpiridinio tetrafluoroborato ([4-mebupy][BF4]), se analizan y comparan dos configuraciones de proceso diferentes propuestas en bibliografía con un nuevo diseño de proceso, propuesto utilizando la metodología multiescala. Se demuestra la capacidad de las simulaciones de procesos basadas en COSMO para discriminar entre diferentes alternativas de proceso mediante la realización de estimaciones razonables de costes de capital y operativos.
En el capítulo 3 se desarrolla la ingeniería conceptual de un nuevo proceso integrado de destilación extractiva propuesto para la separación de compuestos aromáticos y alifáticos de nafta utilizando el líquido iónico 1-etil-3-metilimidazolio dicianamida ([emim][DCA]) como agente de arrastre. Se realiza un análisis de sensibilidad con 8,200 diseños diferentes de columna de destilación extractiva variando la alimentación de líquido iónico, la relación de reflujo, el número de etapas y la etapa de alimentación, con el fin de optimizar el diseño de la columna minimizando el calor del calderín y maximizando el rendimiento. Se demuestra la capacidad de los líquidos iónicos para ser utilizados como agentes en destilación extractiva de mezclas de aromáticos y alifáticos con contenidos de aromáticos desde tan bajos como un 10% hasta tan altos como un 90%. Se evalúa el comportamiento del simulador de procesos utilizando COSMOSAC y el modelo termodinámico clásico NRTL, regresionado a partir de datos experimentales líquido-vapor y líquido-líquido. Se demuestra la coherencia de las simulaciones basadas en COSMO con resultados de proceso.
En el capítulo 4, se evalúa el rendimiento de 8 ILs diferentes en la captura de CO2 de post-combustión mediante absorción física en columnas comerciales empacadas optimizando las condiciones de operación, añadiendo criterios termodinámicos, cinéticos y técnicos a la selección del líquido iónico. Se estima la interdependencia de las variables y su influencia en el costo operativo total (OPEX). Estos resultados se comparan con resultados homólogos presentados en literatura para otras tecnologías de captura de CO2. Finalmente, se proporciona una estimación preliminar del costo de capital (CAPEX) del proceso para una planta piloto de tamaño cercano a la escala industrial. Se demuestra el poder la herramienta integrada de simulación molecular y de proceso para el diseño de operaciones unitarias de ILs y de procesos complejos con elevado control cinético. Se añade dicho control cinético de transferencia de masa de la operación de absorción de CO2 al conjunto de criterios de selección de los ILs y se demuestra su elevada importancia en las operaciones gas-líquido en las que los ILs están siendo propuestos como alternativa a los compuestos orgánicos volátiles. Se demuestra la capacidad de la metodología para simular columnas de separación comerciales asistiendo en el diseño conceptual y los primeros pasos de la ingeniería básica de procesos que involucran ILs.
Por último, en el capítulo 5, se simula, por primera vez utilizando la metodología multiescala, un proceso con reacción química; la captura de CO2 mediante líquidos iónicos de aniones heterocíclicos apróticos (AHA). En este capítulo, se demuestra la capacidad de esta metodología para tener en cuenta, de forma simultánea, fenómenos muy complejos, como la cinética de la transferencia de materia, el equilibrio químico y el equilibrio entre fases.
