Optimización de Procesos Híbridos Destilación/Membranas

Abstract

La pervaporación es un proceso de separación basado en membranas con importantes aplicaciones en la deshidratación de compuestos orgánicos, en particular los que forman azeótropos con agua (tales como el etanol y el isopropanol). Desafortunadamente, el uso de membranas como una unidad de proceso independiente ha resultado satisfactorio solamente para un número muy reducido de casos de interés industrial. La principal razón que desalienta la adopción esta tecnología a escala industrial se debe al relativamente elevado costo de inversión del módulo de membrana.Sin embargo, el acople de una unidad de pervaporación con procesos convencionales de separación ha permitido en muchos casos que el proceso híbrido resultante sea económicamente viable. Tal es el caso del proceso híbrido destilación-pervaporación, el cual se beneficia de las ventajas especiales de cada proceso: el bajo costo de la destilación en las regiones donde la diferencia de volatilidades relativas entre los componentes de la mezcla a separar es grande, y la independencia de la pervaporación del equilibrio líquido-vapor. Más aún, la característica más notoria de la pervaporación es su demanda relativamente pequeña de energía comparada con la correspondiente a la de la destilación, haciendo que el proceso híbrido destilación-pervaporación presente ventajas desde el punto de vista energético respecto del proceso convencional de destilación.En esta tesis se estudia la factibilidad técnica-económica del proceso híbrido destilación-pervaporación aplicado a cuatro diferentes casos de separación de interés industrial:En primer lugar se estudia la incorporación de membranas de pervaporación en la producción de biocombustibles; específicamente, en las etapas de fermentación y deshidratación de etanol. Mientras que una unidad membrana hidrofóbica permite la remoción continua de alcohol del fermentador, un tren de separación conformado por una unidad de membrana hidrofílica y una columna de destilación es utilizado para llevar a cabo la deshidratación del bioetanol. El segundo caso de aplicación analiza distintas configuraciones del proceso híbrido para la separación de la mezcla azeotrópica metanol-acetato de metilo, de interés en la producción de alcohol polivinílico. En este estudio se incluyen resultados experimentales de flujo y selectividad para una membrana aún no reportada en la literatura. Los últimos dos casos de estudio consideran la recuperación de los solventes isopropanol y acetona de su mezcla con agua, los cuales provienen de corrientes de desecho de industrias que hacen un uso intensivo de solventes como la industria farmacéutica. En ambos casos se compara la recuperación del solvente mediante un proceso híbrido destilación-pervaporación con una alternativa que considera la preconcentración del solvente y su posterior incineración.A fin de realizar una adecuada comparación entre las distintas alternativas de proceso consideradas en cada caso de aplicación se propone que el desempeño de cada alternativa sea valorado considerando el costo total correspondiente al diseño óptimo del proceso global de separación. Los diseños óptimos o cuasi-óptimos correspondientes a cada alternativa se obtienen mediante una metodología de optimización basada en el modelado conceptual de las operaciones unitarias involucradas. Para los casos de recuperación de solventes, además de evaluar la economía del proceso, se considera también la repercusión de las alternativas tecnológicas sobre el medio ambiente mediante un análisis del ciclo de vida del proceso global.Finalmente, se arribó a la conclusión de que tanto la optimización de procesos con la ayuda de modelos conceptuales y el análisis de ciclo de vida son herramientas claves en la selección de las mejores alternativas de proceso en todos los casos de aplicación considerados.