Simulation and model-validation of batch distillation processes in Aspen Batch Modeler: Limonene epoxide distillation

RESUMEN: Se desarrolló el modelado y simulación de una columna de destilación por lotes para la recuperación de epóxido de limoneno de una mezcla multicomponente, usando el software especializado Aspen Batch Modeler. Para la validación de los modelos se desarrolló el proceso experimental en un equipo de roto-evaporación, donde se varió la composición inicial de la mezcla, temperatura y presión de operación. La composición final de fondos y destilado se determinó a través de cromatografía de gases. Los resultados indican que los modelos propuestos describen satisfactoriamente el fenómeno simulado y permiten predecir con aceptable exactitud (RMSD ≤ 0.087) la composición final de las mezclas; representando así una herramienta útil para estudiar y analizar conceptualmente el diseño, la optimización y el escalado del proceso. De manera complementaria, se incluye en forma detallada la estructuración del modelo, de modo que pueda usarse como material de referencia para la simulación de procesos similares o con fines académicos.ABSTRACT: Modeling and simulation of a Batch distillation column was developed for the recovery of limonene epoxide from a multicomponent mixture using advanced software Aspen Batch Modeler. For model validation, an experimental setup was developed using rotary evaporation equipment, and varying parameters such as initial composition of the mixture, temperature and pressure. The mixture composition in bottoms and distillate was determined by gas chromatography. The results indicate that the proposed models describe satisfactorily the simulated phenomenon and allow to predict with acceptable accuracy (RMSD ≤ 0.087) the final composition of the mixtures; hence representing a useful tool to study and analyze the conceptual design, optimization and/or scaled-up for the process. In addition, the model development is presented in detail, so it can be used as reference material for the simulation of similar processes or academic purposes. Kwyhors: Groundwater, conceptual hydrogeological model, ater quality. Agua subterránea, modelo hidrológico conceptual, calidad del agu

Simulated control in Aspen Dynamics for the production of limonene epoxide at pilot scale

RESUMEN: En la presente contribución se reporta el estudio y análisis del sistema de control (simulado) para el proceso de obtención de epóxido de limoneno. El modelado del proceso a escala piloto se implementó en el software Aspen Plus a partir de reportes de la literatura. Para el estudio del control del proceso se usó el software Aspen Dynamics. El modelo permite observar el comportamiento de variables de interés en el proceso como flujos de salida de la torre de destilación, requerimientos calóricos, temperaturas de operación y pureza del producto final. El desempeño de los controladores (de nivel, flujo y temperatura) se evaluó simulando perturbaciones (+30%) en el flujo de alimentación al proceso. Análisis de sensibilidad y especificaciones de diseño preliminares permiten concluir que de acuerdo a las simulaciones es posible obtener epóxido de limoneno (97,5% p/p) con este sistema. Los resultados de este trabajo pueden utilizarse para un estudio más detallado del sistema o como insumo para proponer diseños experimentales que ayuden a determinar el punto de operación de las principales variables con los que se favorezca la producción de epóxido de limoneno.ABSTRACT: In this contribution is reported the study and analysis of the control system (simulated) for the process of obtaining limonene epoxide. The modelling of the process at pilot scale was implemented in the software Aspen Plus from literature reports. Aspen Dynamics was used for the study of the process control. The model allows observing the behavior of the variables of interest in the process such as outflows from the distillation tower, heat duty, operating temperatures and purity of the final product (limonene epoxide). The performance of the controllers (level, flow and temperature) was evaluated by simulating disturbances (+30%) in the feedstream to the process. Sensitivity analysis and preliminary design specifications allow to conclude that according to the simulations it is possible to obtain limonene epoxide (97,5% w/w) with this system. The results of this work can be used for more detailed studies of the system, including experimental study designs that help to determine the operating point for the process variables which increase limonene epoxide production

Thermochemical equilibrium model of synthetic natural gas production from coal gasification using aspen plus

ABSTRACT: The production of synthetic or substitute natural gas (SNG) from coal is a process of interest in Colombia where the reserves-to-production ratio (R/P) for natural gas is expected to be between 7 and 10 years, while the R/P for coal is forecasted to be around 90 years. In this work, the process to produce SNG by means of coal-entrained flow gasifiers is modeled under thermochemical equilibrium with the Gibbs free energy approach. The model was developed using a complete and comprehensive Aspen Plus model. Two typical technologies used in entrained flow gasifiers such as coal dry and coal slurry are modeled and simulated. Emphasis is put on interactions between the fuel feeding technology and selected energy output parameters of coal-SNG process, that is, energy efficiencies, power, and SNG quality. It was found that coal rank does not significantly affect energy indicators such as cold gas, process, and global efficiencies. However, feeding technology clearly has an effect on the process due to the gasifying agent. Simulations results are compared against available technical data with good accuracy. Thus, the proposed model is considered as a versatile and useful computational tool to study and optimize the coal to SNG process

Caracterização morfológica e físico-química de biocarvões produzidos pela gasificação de espécies florestais selecionadas

RESUMEN: En este estudio se caracterizaron muestras de biocarbones obtenidos como subproducto del proceso de gasificación, en lecho fijo a 700 °C, de las especies Eucalyptus grandis (BC-EG), Acacia magnium (BC-AM) y Gmelina arborea (BC-GA). Sus características morfológicas y propiedades fisicoquímicas se evaluaron usando fisisorción de nitrógeno por el método de Brunauer-Emmet-Teller (BET), espectroscopia de dispersión de energía de rayos X (EDS) y espectroscopia infrarroja con Transformada de Fourier (FTIR). Los biocarbones analizados presentaron áreas superficiales en el rango de 2.0-50.0 m2/g; el biocarbón originado de la especie BC-EG presentó la mayor área superficial (50.0 m2/g), mientras que el biocarbón obtenido de BC-GA mostró la menor (2.0 m2/g). Por otro lado, las muestras obtenidas pueden clasificarse como materiales mesoporosos debido a que su tamaño de poro estuvo entre 2 y 50 nm; esto indica que dichos materiales pueden usarse en procesos de absorción, aunque, se espera que el material proveniente de BC-AM sea el más adecuado para este tipo de aplicaciones. Los espectros FTIR no mostraron picos característicos de celulosa y hemicelulosa en ninguna de las muestras, lo cual se atribuye a su descomposición por las temperaturas alcanzadas en los procesos de gasificación. Adicionalmente, de acuerdo a los análisis SEM/EDX todas las muestras analizadas presentan estructuras de poros bien definidas y contienen minerales como Na, K y Ca, lo cual sugiere que los biocarbones también podrían ser considerados para remediación de suelos.ABSTRACT: In this study, biochar samples acquired as by-product by downdraft gasification at 700 °C from Eucalyptus grandis (BC-EG), Acacia magnium (BC-AM) and Gmelina arborea (BC-GA) were characterized. The morphological characteristics and physicochemical properties of biochar were studied using nitrogen physisorption by the Brunauer-Emmet-Teller (BET) method, Scanning Electron Microscopy (SEM), X-ray Energy Dispersive Spectrometry (EDX) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). The surface area (SA) of the materials was in the 2.0-50.0 m2/g range, with the biochar obtained from BC-EG showing the highest SA (50.0 m2/g), while the biochar derived from BC-GA showed the lowest SA (2.0 m2/g). In addition, all samples can be classified as mesoporous materials because their pore sizes were between 2 and 50 nm. This indicates that these materials can be used in absorption processes; however, the biochar obtained from BC-AM is expected to be the most suitable for absorption applications. FTIR biochar spectra did not exhibit characteristic peaks for cellulose or hemicellulose in any sample due to decomposition of these compounds at the gasification temperature. Moreover, according to SEM/EDX analyzes, all the samples presented well defined pore structure and contained minerals as Na, K and Ca, suggesting that the biochar could also be useful for soil amendment applications

Nuevo complemento para simulaciones de ingeniería en hojas de cálculo usando métodos de continuidad homotópica

RESUMEN: Resolver modelos matemáticos representados por ecuaciones no lineales es común en la ingeniería y puede ser una tarea difícil. Los métodos de Continuidad Homotópica han mostrado ser globalmente convergentes y capaces de encontrar todas las posibles raíces de sistemas algebraicos. Con base en este tipo de métodos, se presenta un nuevo complemento para Microsoft Office Excel, SphereSolver, desarrollado con el objetivo de mejorar la capacidad de este software común, como una plataforma de computación de simulación para problemas de ingeniería. SphereSolver se aplico sobre diferentes tipos de modelos de ingeniería y en todos los casos, las ecuaciones no lineales se resolvieron con éxito. La solución con SphereSolver a los problemas seleccionados se comparo con otras técnicas de solución, por ejemplo, el método clásico de Newton, Homotópica de punto fijo y Homotopía Afín. Se observo que usando SphereSolver el intervalo de convergencia se extiende masivamente y / o se pueden encontrar raíces adicionales, es decir, se mejoro la solución. Se concluye que SphereSolver es una herramienta eficiente que se puede utilizar en Microsoft Excel para resolver problemas de ingeniería donde otros programas o herramientas tradicionales pueden fallar o presentar limitaciones.ABSTRACT: Solving models represented by non-linear equations is a common situation in engineering and can be a challenging task. Homotopy Continuation Methods have shown globally convergent behavior, capable of finding all the possible roots of algebraic systems. Based on these methods, a new Microsoft Office Excel add-in was developed, SphereSolver, aiming to enhance the ability to use this easily obtainable software as a simulation computing platform for engineering problems. SphereSolver was applied over different types of engineering models and the non-linear equations were solved successfully each time. Selected problems were solved with SphereSolver and compared with other solution tecniques, e.g., classical Newton’s method, Fixed Point homotopy or Affine Homotopy. It was observed that using SphereSolver the solution for selected problems was improved, i.e., the interval of convergence is extended massively and/or additional roots can be found. It can be concluded that SphereSolver is a new and efficient tool that can be used within Microsoft Excel for solving engineering problems where other software or traditional tools could fail or present limitations

Efecto del rango de carbones colombianos y su tecnología de alimentación en la producción de gas natural sustituto, mediante gasificación en lecho arrastrado

RESUMEN: Presenta los resultados de un estudio del efecto del rango del carbón usado (desde subbituminoso hasta semiantracita) y de la tecnología de alimentación (seca o húmeda) sobre el proceso de producción de gas natural sustituto (GNS) en gasificadores de flujo arrastrado. Se analizaron diez carbones provenientes de importantes minas de Colombia. El proceso de producción de GNS a partir de gasificación de carbón se modeló bajo equilibrio termoquímico en Aspen Plus. El rendimiento del proceso se evaluó en términos de parámetros de salida, que incluyen el poder calórico del GNS, el índice de Wobbe, la eficiencia de conversión de carbón, la eficiencia en frío, la eficiencia del proceso, la eficiencia global y la tasa de producción de GNS, entre otros. En orden descendente, el proceso carbón-GNS mejora energéticamente con el uso de carbones con alta relación material volátil/carbón fijo, bajo contenido de ceniza, alta relación C+H/O y alto valor calórico del carbón. La eficiencia energética global para la producción de GNS vía gasificación es 17% mayor para la tecnología de alimentación en húmedo con respecto a la tecnología de alimentación en seco; esto posiblemente se da por la mayor concentración de CH4 en el syngas (alrededor del 7% vol.) cuando se usa alimentación en húmedo. El GNS simulado cumple los estándares de calidad de gas natural (GN) en Colombia; por lo tanto, el combustible gaseoso sustituto podría transportarse directamente por gasoductos. Por lo anterior, es técnicamente viable considerar el proceso carbón-GNS como una alternativa no convencional para la producción de GN.ABSTRACT: The effect of coal rank (from sub-bituminous to semi-anthracite) and type of fuel feeding technology (slurry and dry) on the production of substitute natural gas (SNG) in entrained flow gasifiers is studied. Ten coals from important Colombian mines were selected. The process is modeled under thermochemical equilibrium using Aspen Plus, and its performance is evaluated in function of output parameters that include SNG heating value, Wobbe index, coal conversion efficiency, cold gas efficiency, process efficiency, global efficiency, and SNG production rate, among others. In descending order, the coal-to-SNG process improves energetically with the use of coals with: higher volatile-matter to fixed-carbon ratio, lower ash content, higher C+H/O ratio, and higher coal heating value. The overall energy efficiency of the slurry-feed technology (S-FT) to produce SNG by gasification is 17% higher than the dry-feed technology (D-FT), possibly as a consequence of the higher CH4 concentration in the syngas (around 7 vol. %) when the coal is fed as aqueous slurry. As the simulated SNG meets the natural gas (NG) quality standards in Colombia, the substitute gaseous fuel could be directly transported through pipelines. Therefore, the coal-to-SNG process is a technically feasible and unconventional alternative for NG production

Wood gasification to obtain a syngas useful for biofuels and/or chemicals production

RESUMEN: En el presente trabajo se desarrolló un modelo en equilibrio que permite simular el proceso de producción de un syngas útil para la obtención de biocombustibles líquidos y/o productos químicos mediante gasificación en lecho arrastrado. El proceso fue modelado mediante el software Aspen Plus, considerando las etapas de pretratamiento y acondicionamiento de la biomasa (secado, torrefacción y molienda), gasificación en lecho arrastrado, limpieza y acondicionamiento del syngas producido, y ajuste de la relación H2/CO, adicionalmente se modela la Unidad de Separación de Aire (ASU) para la producción de oxígeno como agente gasificante. La validación del modelo se realizó a partir de datos experimentales reportados en la literatura, mediante el análisis de los errores relativos para las variables de interés: relación H2/CO, poder calorífico inferior (LHV, de sus siglas en inglés Lower Heating Value) y eficiencia en frío, obteniendo errores de 7,8%, 11,8% y 8,8%, respectivamente. Adicionalmente, se evaluó la sensibilidad del modelo para predecir el efecto de variables de proceso como la temperatura de torrefacción y la relación equivalente sobre las variables respuesta H2/CO y LHV, obteniendo con el modelo tendencias similares a las reportadas en la literatura bajo diferentes condiciones de operación, lo cual muestra que el modelo es sensible a cambios en los parámetros del proceso. Por tanto, se considera que el modelo desarrollado es una herramienta computacional útil para realizar análisis de sensibilidad en procesos de producción de biocombustibles líquidos y/o productos químicos a partir de gasificación de biomasa en lecho arrastradoABSTRACT: A model to simulate the entrained flow gasification process to produce a syngas useful in the synthesis of liquid biofuels and/or chemicals was developed. The model is simulated in Aspen Plus and includes the stages of: pretreatment and conditioning of biomass (drying, torrefaction and grinding), entrained flow gasification, cleaning and conditioning of syngas produced, adjustment of H2/CO relation, and an Air Separation Unit (ASU) for oxygen production as gasifying agent. The model validation was performed from experimental data reported in the literature, by analyzing the relative errors for the interest variables: H2/CO, lower heating value and cold gas efficiency, founding errors of 7.8%, 11.8% and 8.8% respectively. Additionally, the sensibility of the model to predict the effect of process variables as torrefaction temperature and equivalence ratio on response variables, showed similar tendencies to those found in the literature. Thus the model is considered a useful computational tool for sensitivity analysis of entrained flow gasification of biomass to produce liquid biofuels and/or chemicals

Evaluation of alternative drying techniques for the earthworm flour processing

RESUMEN: La producción de harina de lombriz comprende varias etapas, la más crítica es el proceso de secado debido a factores como el tiempo y los requerimientos energéticos. En la literatura, la información disponible acerca de dicho proceso es limitada. Debido a esto, en el presente trabajo, se evaluaron cuatro técnicas de secado viables a ser implementadas por lombricultores: al sol, en horno, en túnel de secado y asistido por microondas. Para todas las técnicas, se obtuvieron cinéticas de secado y se evaluaron parámetros específicos como: material de las bandejas de secado al sol (acero inoxidable y cerámico), potencia (30%, 50% y 80%) y cantidad de material a secar (72 y 100 g) para secado por microondas, temperatura (50, 65, 90 y 100 °C) para secado en horno, y temperatura (50 y 63 °C) y velocidad del aire (2,9 y 3,6 m/s) para secado en túnel de secado. Como resultado, se encontró que la técnica más eficiente es el túnel de secado, debido a que combina la transferencia de calor por conducción y convección y permite el control de los parámetros de operación. Finalmente, se realizaron análisis bromatológicos a las muestras obtenidas en cada técnica de secado. El contenido de proteína cruda para secado al sol, secado en microondas, horno y túnel de secado fueron, respectivamente: 66,36%, 67,91%, 60,35% y 62,33%, lo que indica que el método de secado y los parámetros de operación no afectan de manera significativa el contenido de proteína cruda.ABSTRACT: Production of earthworm flour includes several steps, among which the most critical is the drying process due to factors such as time and energy requirements. In addition, the information available about this process is relquite limited. Thus, this work evaluated four drying techniques likely to be implemented by lombricultores: sun drying, oven drying, drying tunnel and microwave assisted drying. Drying kinetics values were obtained for all drying techniques, and specific parameters as the following were evaluated: drying tray material (stainless and ceramic steel) for sun drying, microwave power (30%, 50% and 80%) and amount of material to be dried (72 and 100 g) for microwave assisted drying, temperature (50, 65, 90 and 100 °C) for oven drying, and temperature (50 and 63 °C) and air speed (2.9 to 3.6 m/s) for tunnel drying. It was determined that the most efficient technique is the drying tunnel, because this allows the combination of heat transfer by conduction and convection, and enables controlling the operating parameters. Finally, nutritional analyzes were performed in samples obtained by each drying technique evaluated. The crude protein content for sun drying, microwave assisted drying, oven drying and tunnel drying were 66.36%, 67.91%, 60.35% and 62.33% respectively, indicating that the drying method and operating parameters do not significantly affect the crude protein content

Studying PW-Amberlite catalyst deactivation in limonene epoxidation by hydrogen peroxide

RESUMEN: El catalizador PW-Amberlita es activo para la epoxidación de limoneno en condiciones trifásicas, pero se desactiva durante la reacción. En esta contribución se evaluó la estabilidad del catalizador en la reacción y la recuperación de la actividad catalítica al tratarlo con varios solventes. Se encontró que el catalizador recupera el 99% de su actividad inicial cuando se lavó con tolueno y que la recuperación fue de 95 y 97% cuando se utilizaron etanol o acetona como solventes de lavado, respectivamente. Las pruebas de lixiviación mostraron que la reacción no continuaba al separar el catalizador de la mezcla de reacción, confirmando la ausencia de lixiviación de la fase activa del catalizador. Mediante análisis FTIR se evidenció que las especies características del complejo fosfotungstato no se modificaron con reutilizaciones sucesivas del catalizador

Determinación analítica de nitratos en aguas usando el método de ion selectivo

RESUMEN: Se presenta la evaluación del método analítico Ion selectivo para la determinación de nitratos en aguas. Se comparó estadísticamente con el método estandarizado Reducción cadmio-cobre, incluyendo análisis para tres tipos de aguas (consumo humano, natural y residual) y estándares. Se encontró que el Ion selectivo es aplicable (confiable) para el análisis de nitratos en muestras de agua tratada, agua natural y estándares en un rango de calibración lineal desde 0.113 mg NO3--N/L a 2.259 mg NO3--N/L, en el cuál se encuentra gran cantidad de muestras analizadas en laboratorios de calidad del agua; sin embargo, para el análisis de aguas residuales no presenta resultados aceptables por las interferencias de otros contaminantes. La evaluación estadística de la precisión y exactitud del método indica desviaciones inferiores al 15% en el rango lineal de la curva de calibración. Dado que el método de Ion selectivo ofrece ventajas ambientales con relación al de reducción cadmio-cobre, se recomienda implementar su uso para análisis de nitratos en agua potable y agua natural.ABSTRACT: An evaluation of the Ion selective method for determining nitrate in water is presented. The method was statistically compared with standardized copper-cadmium reduction method, including analysis for three kinds of water, i.e, drinking water, natural water, and wastewater, as well as standards. It was found that the ion selective method is applicable (reliable) for nitrate analysis in samples of treated water, natural water and standards in a linear calibration range from 0.113 mg NO3-N/L to 2.259 mg NO3-N/L, where there are found a lot of samples analyzed in Water-quality laboratories. However, for the analysis of nitrate in wastewater, the Ion selective method does not produce acceptable results by interference of other pollutants. The statistical evaluation of the precision and accuracy of the method indicates deviations below 15% in the linear range of the calibration curve. Considering advantages of the Ion selective method when compared with copper-cadmium reduction method, it is recommended to use the first one for nitrate analysis in drinking water and natural water