La destilación, un desafío para la ingeniería
Por Carlos Alberto Torres Cantero*
Las columnas de destilación son fundamentales para separar mezclas líquidas, como las de etanol y agua, en la industria. Sin embargo, su control es un desafío debido a la complejidad del proceso. Estas columnas operan en condiciones en las que se busca obtener un producto de alta pureza, lo cual es complicado debido a la formación de un azeótropo, es decir, una mezcla que no se puede separar completamente mediante destilación convencional. Para superar este desafío, se utilizan tecnologías avanzadas, como la destilación extractiva con sales, que permite romper el azeótropo y obtener etanol anhidro. En este contexto, se presenta un sistema de control para una planta piloto de destilación extractiva con sales que busca mejorar la calidad del producto y reducir el consumo energético.
Este sistema de control se basa en un análisis de sensibilidad de la columna de destilación, usando simulaciones para estudiar el comportamiento de la planta y evaluar la influencia de parámetros operativos como la relación de reflujo sobre la pureza del producto y el consumo energético. El control de la composición del producto es esencial, por lo que se compararon tres estructuras de control diferentes: una estructura de control dual de temperatura con una relación reflujo/reboilup (RV) y dos configuraciones de control de temperatura en un solo extremo. Estos controles se evaluaron utilizando indicadores deterministas, y los resultados indicaron que la estructura de relación reflujo a alimentación (R/F) era la más eficiente, ya que ofreció menores errores de estado estacionario, respuestas menos oscilantes y menores tiempos de estabilización.
El proceso de destilación extractiva con sales utiliza un agente separador, como el cloruro de calcio (CaCl2), que modifica el equilibrio de fase del sistema etanol-agua. Esta tecnología es eficaz para la deshidratación del etanol, ya que el CaCl2 mejora la volatilidad relativa del etanol y permite romper el azeótropo etanol-agua. En la simulación de la planta piloto, se trató una mezcla diluida con una fracción molar de etanol de 0.2, y se evaluaron diferentes estructuras de control en función de su capacidad para mantener la pureza del producto y el consumo energético dentro de los valores esperados.
Los resultados de la simulación mostraron que el sistema de control dual de temperatura basado en la estructura RV, aunque efectivo, presentaba un rendimiento inferior al de la estructura R/F. En particular, la estructura R/F permitió un control más preciso de la pureza del destilado, incluso cuando se produjeron perturbaciones en la alimentación. Además, el consumo energético en la planta se mantuvo cercano al valor nominal, lo que demuestra que este sistema es eficiente en términos de costos operativos.
Durante las pruebas, también se simularon perturbaciones en la composición y el flujo de la alimentación, lo que permitió evaluar cómo el sistema de control reaccionaba a estos cambios. Los resultados mostraron que la estructura R/F era la más capaz de mantener la pureza del producto dentro de los estándares de calidad establecidos, incluso cuando se produjeron oscilaciones en los parámetros de operación. La evaluación de los indicadores clásicos de rendimiento, como el error cuadrático integral (ISE) y el error absoluto integral (IAE), confirmó que la estructura R/F tuvo el mejor desempeño tanto en la respuesta a perturbaciones como en la eficiencia energética.
Una ventaja importante de este sistema de control es su capacidad para ajustar dinámicamente el flujo de reflujo y la alimentación de sal para mantener la concentración de CaCl2 en los niveles deseados. Esto asegura que el proceso de destilación extractiva se mantenga dentro de los parámetros óptimos para obtener etanol de alta pureza, sin que el consumo energético se vea afectado por variaciones en las condiciones de operación.
En conclusión, el sistema de control propuesto para la planta piloto de destilación extractiva con sales ha demostrado ser eficaz tanto en el control de la pureza del etanol como en la gestión del consumo energético. La estructura de control R/F es la más adecuada para este tipo de procesos, ya que minimiza los errores de estado estacionario, mantiene una respuesta dinámica estable y asegura que el producto cumpla con los estándares de calidad internacionales. Este enfoque puede ser de gran utilidad para la deshidratación de etanol en la industria, ya que mejora la eficiencia del proceso y reduce los costos operativos, lo que favorece su adopción a gran escala.
Este es un resumen del artículo “Control Structures Evaluation for a Salt Extractive Distillation Pilot Plant: Application to Bio-Ethanol Dehydration”, publicado en la revista Energies, disponible para su consulta en el siguiente link: https://doi.org/10.3390/en10091276
*Profesor Investigador de Tiempo Completo de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad de Colima.
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