Desarrollo de un proceso intensificado para la producción de acetato de isoamilo mediante tecnología de membranas

El aceite de fusel es un residuo agroindustrial obtenido durante la producción de etanol por fermentación, el cual está constituido por una mezcla de alcoholes pesados. El principal componente del aceite de fusel es el alcohol isoamílico. En este trabajo se propone el uso de dicho alcohol isoamílico en un proceso de esterificación con ácido acético para la obtención de acetato de isoamilo, un producto de valor agregado con múltiples aplicaciones en la industria química, alimenticia y farmacéutica. Para ello, se propone el uso de un proceso simultáneo de reacción-separación con membranas denominado pervaporación. El diseño de este proceso involucra el estudio de cuatro aspectos básicos: las características termodinámicas de la mezcla reactiva, la cinética de la reacción química, la síntesis, preparación, caracterización y evaluación de una membrana selectiva al agua y el diseño conceptual del proceso, simulación, optimización y evaluación económica. Se presenta un modelo de actividad para el sistema bajo estudio correlacionado a partir de datos experimentales, que resulta tener mejores capacidades predictivas que los previamente disponibles. Se ajustaron modelos cinéticos tanto para la reacción no-catalizada como para la reacción catalizada por la resina de intercambio Amberlite IR-120. Una membrana cerámica del tipo xerogel hidrofílico de sílice fue fabricada, caracterizada y probada experimentalmente para la realización del proceso, correlacionándose un modelo de permeación. Se presenta el diseño y evaluación experimental de dos prototipos a escala de laboratorio para el proceso de pervaporación reactiva. Finalmente, se presenta un estudio de simulación del proceso que hace uso de los modelos termodinámicos, cinéticos y de permeación previamente validados. Entre diferentes alternativas tecnológicas evaluadas, los procesos con membrana resultan ser más competitivos que las tecnologías convencionales, por usar las materias primas de una manera más eficiente, así como por su menor costo y consumo energético.Abstract. Fusel oil is a mixture of heavy alcohols generated as an agricultural residue during the fermentative production of ethanol. Isoamyl alcohol is the main component of fusel oil. In this work, it is proposed the use of such isoamyl alcohol in a esterification process with acetic acid to obtain isoamyl acetate, a value added product with multiple applications in the chemical, food and pharmaceutical industries. A simultaneous reaction-separation process called pervaporation, a membrane technology, is proposed. Process design involves four basic aspects: thermodynamic features of the reactive mixture; reaction kinetics; synthesis, fabrication, characterization and evaluation of a suitable membrane selective to water; process synthesis and conceptual design including simulation, optimization and economic evaluation. An activity model is presented for the system, correlated using experimental data, which has better prediction capabilities than the current available models. Kinetic models were fitted for the non-catalytic and catalytic reaction using ion exchange resin Amberlite IR-120. A ceramic hydrophilic xerogel membrane was developed and tested for the process and a permeation model was proposed. It is shown the design and experimental evaluation of two laboratory scale prototypes for reactive pervaporation process. Finally, a simulation study is presented that uses the aforementioned thermodynamic, kinetic and permeation models, previously validated. Among different process alternatives, membrane processes are more competitive than conventional technologies because they are more efficient using raw materials and for its lower cost and energy requirements.Doctorad

Cálculo e interpretación de las trayectorias de puntos de composición constante (pinch) en columnas simples de destilación para mezclas azeotrópicas homogéneas

A continuation method of the kind predictor-corrector is presented for completely tracking of the pinch points branches related to the products or pseudoproducts of a homogeneous azeotropic distillation column. The method easily handles the turning points allowing the localization of the tangent pinch points. The foundation of the concept is in the ideas of Fidkowski, Malone y Doherty; however, some novelties are included, as the initiation strategy for calculations, the way to obtain the tangent vector and the set of equations on which the technique is applied. Three examples are illustrated with the solutions of acetone + chloroform + benzene, acetone + chloroform + methanol and acetic acid + amyl alcohol + amyl acetate, emphasizing cases that show better separation possibilities in the finite reflux condition than with total reflux operation.Apresenta-se um método de continuação do tipo preditor-corretor para traçar completamente os ramos de pontos de pinch associados com os produtos ou pseudoprodutos de uma coluna de destilação azeotrópica homogénea. O método trata facilmente com os pontos de retorno permitindo a localização dos pontos pinch do tipo tangente. O conceito fundamenta-se nas ideias de Fidkowski, Malone e Doherty, mas inclui algumas novidades, como a estratégia de iniciação dos cálculos, a forma de obter o vetor tangente e o grupo de equações sobre o qual se aplica a técnica. Ilustram-se três exemplos com as soluções de acetona + clorofórmio + benzeno, acetona + clorofórmio + metanol e ácido acético + amilálcool+ amilacetato, enfatizando em casos que mostram melhores possibilidades de separação na condição de refluxo finito que na operação com refluxo total.Se presenta un método de continuación del tipo predictor-corrector para trazar completamente los ramales de puntos de pinch asociados con los productos o seudoproductos de una columna de destilación azeotrópica homogénea. El método trata fácilmente con los puntos de retorno permitiendo la localización de los puntos pinch del tipo tangente. El concepto se fundamenta en las ideas de Fidkowski, Malone y Doherty, pero incluye algunas novedades, como la estrategia de iniciación de los cálculos, la forma de obtener el vector tangente y el grupo de ecuaciones sobre el cual se aplica la técnica. Se ilustran tres ejemplos con las soluciones de acetona + cloroformo + benceno, acetona + cloroformo + metanol y ácido acético + amilalcohol + amilacetato, enfatizando en casos que muestran mejores posibilidades de separación en la condición de reflujo finito que en la operación con reflujo total

Comparative evaluation of two nonconventional distillation technologies for separation of ethanol water mixtures by extractive distillation

In this document, extractive distillation for the separation of Ethanol-Water-ethylene glycol is studied from the conceptual point of view. A methodology for the design of conventional extractive sequences is detailed based on non-linear analysis and the state of the art of extractive distillation. The used methodology can be systematically applied to the design of alternative homogeneous minimum boiling point azeotrope systems. A graphical analysis of extractive distillation sequences is presented by means of the solution of the pinch equations. Obtained pinch branches and column profile maps are analyzed to develop a conceptual based design of an Extractive Dividing Wall Column. This analysis led to reduce the computational effort of designs based on simulation. In order to improve the efficiency of the separation, the obtained designs are studied as a partially diabatic column or a column with Sequential Heat Exchangers (SHE). Finally, an approximation to the application of the results in a pilot scale is made.Maestrí

CÁLCULO E INTERPRETACIÓN DE LAS TRAYECTORIAS DE PUNTOS DE COMPOSICIÓN CONSTANTE (PINCH) EN COLUMNAS SIMPLES DE DESTILACIÓN PARA MEZCLAS AZEOTRÓPICAS HOMOGÉNEAS (CALCULATION AND INTERPRETATION OF THE PINCH POINTS TRAJECTORIES IN SIMPLE DISTILLATION COLUMN

Se presenta un método de continuación del tipo predictor-corrector para trazar completamente los ramales de puntos de pinch asociados con los productos o seudoproductos de una columna de destilación azeotrópica homogénea. El método trata fácilmente con los puntos de retorno permitiendo la localización de los puntos pinch del tipo tangente. El concepto se fundamenta en las ideas de Fidkowski, Malone y Doherty, pero incluye algunas novedades, como la estrategia de iniciación de los cálculos, la forma de obtener el vector tangente y el grupo de ecuaciones sobre el cual se aplica la técnica. Se ilustran tres ejemplos con las soluciones de acetona + cloroformo + benceno, acetona + cloroformo + metanol y ácido acético + amilalcohol + amilacetato, enfatizando en casos que muestran mejores posibilidades de separación en la condición de reflujo finito que en la operación con reflujo total.Abstract: A continuation method of the kind predictor-corrector is presented for completely tracking of the pinch points branches related to the products or pseudoproducts of a homogeneous azeotropic distillation column. The method easily handles the turning points allowing the localization of the tangent pinch points. The foundation of the concept is in the ideas of Fidkowski, Malone y Doherty; however, some novelties are included, as the initiation strategy for calculations, the way to obtain the tangent vector and the set of equations on which the technique is applied. Three examples are illustrated with the solutions of acetone + chloroform + benzene, acetone + chloro - form + methanol and acetic acid + amyl alcohol + amyl acetate, emphasizing cases that show better separation possibilities in the finite reflux condition than with total reflux operation.Se presenta un método de continuación del tipo predictor-corrector para trazar completamente los ramales de puntos de pinch asociados con los productos o seudoproductos de una columna de destilación azeotrópica homogénea. El método trata fácilmente con los puntos de retorno permitiendo la localización de los puntos pinch del tipo tangente. El concepto se fundamenta en las ideas de Fidkowski, Malone y Doherty, pero incluye algunas novedades, como la estrategia de iniciación de los cálculos, la forma de obtener el vector tangente y el grupo de ecuaciones sobre el cual se aplica la técnica. Se ilustran tres ejemplos con las soluciones de acetona + cloroformo + benceno, acetona + cloroformo + metanol y ácido acético + amilalcohol + amilacetato, enfatizando en casos que muestran mejores posibilidades de separación en la condición de reflujo finito que en la operación con reflujo total.Abstract: A continuation method of the kind predictor-corrector is presented for completely tracking of the pinch points branches related to the products or pseudoproducts of a homogeneous azeotropic distillation column. The method easily handles the turning points allowing the localization of the tangent pinch points. The foundation of the concept is in the ideas of Fidkowski, Malone y Doherty; however, some novelties are included, as the initiation strategy for calculations, the way to obtain the tangent vector and the set of equations on which the technique is applied. Three examples are illustrated with the solutions of acetone + chloroform + benzene, acetone + chloro - form + methanol and acetic acid + amyl alcohol + amyl acetate, emphasizing cases that show better separation possibilities in the finite reflux condition than with total reflux operation