ESTUDIOS EN DISEÑO Y SÍNTESIS DE PROCESOS QUÍMICOS

ESTUDIOS EN DISEÑO Y SÍNTESIS DE PROCESOS QUÍMICOS

Parte V: Método heurístico simple para la síntesis sistemática de secuencias iniciales para la separación de multicomponente.

Se propone un método heurístico en el cual a partir de los costos reportados, se muestra que las secuencias iniciales sintetizadas para los problemas de ensayo por el nuevo método heurístico son más baratas que las obtenidas por otros métodos heurísticos. Este nuevo método es sencillo de aplicar a mano y no requiere formación matemática ni habilidades computacionales, además ofrece las ventajas de simplicidad y efectividad aunado a un buen rendimiento.

El nuevo método implica la aplicación secuencial de las siguientes siete heurísticas: (1) Favorecer la destilación ordinaria y remover primero el agente de separación de masas. (2) Evitar la destilación a vacío y la refrigeración. (3) Favorecer al conjunto de productos más pequeño. (4) Remover primero los componentes corrosivos y peligrosos. (5) Realizar al final las destilaciones difíciles. (6) Remover primero el componente más abundante. (7) Favorecer la división equimolar. Las primeras dos heurísticas deciden los métodos de separación a usar. Las siguientes tres heurística proporciona las directrices sobre las divisiones prohibidas dadas las especificaciones del producto, así como la primera y última separación esenciales. Las dos últimas heurísticas se usan para sintetizar las secuencias de separación iniciales reales, con la ayuda de un parámetro secuencial auxiliar, llamado coeficiente de facilidad de separación (CFS).

La secuencia de separación se resuelve por la clasificación de los componentes de la mezcla a separar de  acuerdo a sus propiedades físicas y/o químicas tales como volatilidad relativa o solubilidad en el agua.  La lista resultante para cada propiedad proporciona el nombre del componente y su clasificación de la propiedad en relación con otros componentes en la mezcla, también permite considerar a una etapa de separación como una división en la lista de propiedades, en la que los componentes por encima de un cierto valor de la propiedad se separan de los componentes por debajo de ese valor. Entonces, la generación de una secuencia de separación involucra la selección de una lista de propiedades adecuada y la elección de las separaciones claves dentro de la lista.

UN MÉTODO HEURÍSTICO SIMPLE

Las reglas heurísticas para la secuencia de separación pueden ser clasificadas de forma general en cuatro categorías: (1) Métodos heurísticos (designados como M heurísticos) los cuales favorecen el uso de ciertos métodos de separación bajo las especificaciones del problema dado. (2) Heurísticas de diseño (designadas como D heurísticas) que favorecen secuencias de separación especificas con ciertas propiedades deseables. (3) Especies heurísticas (designadas como S heurísticas) que se basan en las diferencias de propiedades entre las especies a separar; y (4) Heurísticas de composición  (designadas como C heurísticas) las cuales están relacionadas con los efectos de las composiciones de alimentación y de producto en los costos de separación.

A continuación se propone un método heurístico simple que abarca el uso sistemático de las siguientes siete heurísticas las cuales se aplican una por una en el orden dado. Si alguna heurística no es relevante o no es aplicable en el problema de síntesis, entonces se considera la siguiente en el método.

1. Heurística M1 (Favorecer la destilación ordinaria y retirar primero  el agente de separación de masas): 

(a) Se trata de favorecer los métodos de separación utilizando únicamente la energía de agentes de separación y evitar el uso de métodos de separación requieren el uso de especies que normalmente no están presentes en el proceso, es decir, el agente de separación de masas MSA. Sin embargo, si el factor de separación o la volatilidad relativa de los componentes clave αLK,HK<1.05 a 1.10, el uso de la destilación ordinaria no es recomendada. Un MSA puede ser usado, siempre que mejore la volatilidad relativa entre los componentes clave.

(b) Cuando se utiliza un MSA, eliminar en el separador inmediatamente después de la operación en la que se utiliza.

1. Heurística M2 (Evitar la destilación a vacío y la refrigeración):

Si se requiere el funcionamiento en vacío de la destilación ordinaria, se podría considerar una extracción líquido-líquido con varios solventes. Si se requiere la refrigeración (ej. Para separación de sustancias de bajo punto de ebullición con volatilidades relativas altas como productos de destilación), se pueden considerar alternativas más económicas a la destilación, tales como la absorción.

1. Heurística D1. (Favorecer al conjunto de productos más pequeño):

Favorecer secuencias que producen la cantidad mínima necesaria de los productos. De forma equivalente, evitar secuencias que separan los componentes que en última instancia deberían estar en el mismo producto. Cuando los productos multicomponentes son especificados, favorecer las secuencias que produzcan estos productos directamente o con un mínimo de mezcla, a menos que las volatilidades relativas sean apreciablemente más bajas que aquellas para una secuencia que requiere separador y mezcla adicional.

1. Heurística S1. (Remover primero los componentes corrosivos y peligrosos).
2. Heurística S2. (Realizar al final las destilaciones difíciles):

En particular, separaciones donde las volatilidades relativas de los componentes clave están cerca de la unidad, deben ser realizadas en ausencia de componentes que no sean los componentes clave. En otras palabras, seleccionar secuencias que no causen componentes secundarios que estén presentes en las separaciones, donde los componentes principales están muy juntos en volatilidad relativa o factor de separación.

1. Heurística C1 (Remover primero el componente más abundante): 

El producto de la composición más grande en fracción de la alimentación debe separarse primero, siempre que el factor de separación o la volatilidad relativa sea razonable para la separación.

1. Heurística C2. (Favorecer la división equimolar 50/50):

Si la composición de los componentes no varía ampliamente, se deben favorecer las secuencias que se encuentren más cerca de la división 50/50 o equimolar de la alimentación entre productos de destilado y fondos, siempre y cuando el factor de separación y la volatilidad relativa sea razonable para la separación. Si es difícil juzgar cuál de las separaciones es la más cercana al 50/50 y se tienen un factor de separación o una volatilidad relativa razonable, realizar primero la separación con el valor más alto del coeficiente de facilidad de separación (CFS).

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