Metodología para el diseño riguroso de procesos químicosModelos híbridos: simulación-optimización

Resumen

En la civilización moderna, la disponibilidad de energía está fuertemente ligada al nivel de bienestar, a la salud y a la duración de vida del ser humano. En realidad vivimos en una sociedad que se podía denominar como ``energívora''. Año a año, el consumo energético mundial marca máximos históricos, como consecuencia de que las necesidades energéticas de la humanidad no dejan de crecer. El principal motivo se debe a la relativamente nueva industrialización de países densamente poblados como China, Brasil o India, lo que incorpora continuamente millones de nuevos consumidores al mercado energético. Dicha cantidad adicional de energía, necesaria para suplir el incremento de la demanda mundial, se obtiene en su inmensa mayoría a partir de combustibles basados en el carbono: carbón, gas y petróleo. Todo ello provoca que las emisiones de contaminantes a la atmósfera (sobretodo pero no solamente, de CO$_{2}$) se incrementen año a año. El aumento de las emisiones supone un importante problema a nivel global y es responsable de numerosas consecuencias como son el continuo calentamiento del planeta, variaciones tanto en las cantidades como los patrones de precipitación, reducción de los casquetes polares, elevación del nivel del mar, etc\ldots Finalmente, y si no se pone remedio al continuo aumento de dichas emisiones, tendrá un impacto directo y a nivel mundial en los recursos hídricos disponibles, la cadena alimentaria, la extinción de animales y plantas y finalmente en la futura existencia de la raza humana. Hoy en día existen diferentes alternativas que posibilitarían cumplir con el continuo aumento de las necesidades energéticas sin incumplir el objetivo medioambiental, manteniendo o incluso disminuyendo las emisiones atmosféricas. Las opciones más ampliamente estudiadas son el desarrollo y utilización de energías renovables, la instauración de captura y almacenamiento de CO2 o la mejora de la eficiencia energética. Diversos estudios muestran que, con las tecnologías actuales, la instalación presente y futura de energías renovables funcionando a máxima capacidad no bastaría para proporcionar toda la energía adicional necesaria para asegurar el crecimiento económico mundial. Todo ello indica que el principal campo que puede llevar a la humanidad al cumplimiento, tanto de los objetivos económicos como edioambientales, es la mejora de la eficiencia energética. El consumo energético del sector industrial a nivel global representa aproximadamente el 28% del consumo energético total y dentro de este sector, la industria química representa aproximadamente el 20%. Si se realiza un simple cálculo de porcentajes, el consumo energético de la industria química en el mundo representa aproximadamente el 5,6% de toda la energía consumida en el mundo. Esto unido al hecho de que la energía consumida es generada principalmente mediante la combustión de combustibles fósiles, hacen que cualquier mejora que permita reducir su consumo energéticos, supondrá un importante impacto tanto en el coste económico como medioambiental global. El objetivo principal de la presente tesis es el desarrollo de herramientas de simulación y optimización de procesos químicos que mejoren la eficiencia energética de estos. El trabajo desarrollado a lo largo de periodo doctoral puede agruparse en tres grupos: - Herramientas que facilitan la simulación y mejoran la eficiencia en columnas de destilación - Un modelo alternativo para la optimización simultánea y la integración de calor, que mantiene el concepto de intervalo de latemperatura, para redes de intercambio de calor - Nuevas estructuras de modelado para la optimización rigurosa de problemas de síntesis de procesos mediante una combinación sinérgica de simuladores de procesos con la formulación Disyuntiva Generalizada (GDP)(``Generalized Disjunctive Problem'') La primera parte de esta tesis está compuesta por dos trabajos, cada uno de los cuales ha dado lugar a una publicación en revistas científicas internacionales. El primer trabajo de los realizados parte de la idea de mejorar y facilitar la simulación de secuencias de columnas con acoplamiento térmico (TCD)( ``Thermally Coupled Distillation''}. El problema de la simulación de este tipo de columnas radica en el gran número de recirculaciones existentes entre las diferentes columnas como consecuencia de los acoplamientos térmicos. Esta característica ralentiza y dificulta considerablemente la simulación y el estudio de los sistemas TCD, necesitándose, en la mayoría de los casos, buenos valores iniciales próximos a la solución final para converger el sistema. La idea básica para solventar este problema es la de evitar o sustituir la estructura cíclica (corrientes recirculadas) en el diagrama de flujo de los sistemas TCD, por una configuración acíclica. La solución aportada parte de los estudios realizados por Carlberg y Westerberg, quienes probaron, utilizando modelos aproximados, que un acoplamiento térmico puede ser sustituido por una única corriente de vapor sobrecalentado o líquido subenfriado en función de las secciones que conecte. En este trabajo se demuestra que dicha corriente de vapor sobrecalentado o líquido subenfriado puede ser sustituida por dos corrientes una de materia y otra de energía, de tal forma que se consigue eliminar las corrientes recirculadas en los acoplamientos térmicos. Esta nueva configuración es aplicada a secuencias de columnas TCD para la separación de diversas mezclas como hidrocarburos, alcoholes, compuestos aromáticos, etc\ldots. Los resultados obtenidos muestran errores medios por debajo del 2\% para mezclas de 3 componentes, al comparar la configuración original con la configuración desarrollada en este trabajo. El segundo de los trabajo tiene como objetivo el aumento de la eficiencia energética en una columna TCD. Las columnas TCD presentan diferentes características que hacen que su funcionamiento, aún siendo teóricamente la configuración que minimiza el consumo energético del proceso, sea ineficiente en comparación con las columnas de destilación convencionales. La idea de este trabajo es la de aumentar la eficiencia energética de las columnas TCD convirtiendo la ineficiencia inherente de las secuencias TCD -exceso de flujo de vapor/líquido en ciertas secciones como resultado de la transferencia llevada a cabo en los acoplamientos térmicos- en una ventaja, consiguiendo disminuir la energía y costes del sistema. La estrategia consiste en extraer el exceso de vapor (líquido) de la sección de la columna que, como consecuencia de los acoplamientos térmicos, opera en condiciones subóptimas. La corriente de vapor (líquido) extraída se utiliza en un ciclo de recompresión de vapor (VRC)(Vapor Recompression Cycle) o un ciclo de recompresión de vapor inverso (RVRC)(Reverse Vapor Recompression Cycle), reduciendo de esta forma la cantidad de calor aportado al sistema externamente. Además, la extracción de la corriente (líquida o vapor en exceso) restaura las condiciones óptimas de funcionamiento de la sección de la columna afectada y consecuentemente reduce el diámetro de la columna. Los resultados obtenidos muestran ahorros energéticos y económicos consecuentes de la aplicación de esta estrategia entorno un 20-40%. Tras la anterior serie de trabajos, el siguiente bloque de la tesis se basa en el desarrollo de una estrategia alternativa para la optimización simultánea y la integración de calor, manteniendo el concepto de intervalo de la temperatura, para redes de intercambio de calor. Comentar que dicho trabajo también ha derivado en un publicación en revistas científicas. La gran mayoría de los métodos desarrollados en el campo de integración energética asumen que las temperaturas de entrada y salida a una red de intercambiadores de calor son fijas y conocidas a priori. En otras palabras, la integración de calor se lleva a cabo sólo después de haber fijado todas las condiciones de operación del proceso. Sin embargo, es sabido que la optimización simultánea de las condiciones del proceso y la integración de calor puede producir importantes ahorros en el coste total del proceso. Por lo que sabemos, el único trabajo relacionado con la optimización e integración de calor simultánea fue desarrollado por Duran y Grossmann. La idea de este trabajo surge del hecho de que el modelo de Duran y Grossmann no mantiene el concepto de intervalo de la temperatura con la que muchos diseñadores se encuentran familiarizados, debido a la prevalencia de la tecnología del análisis del pinch. En este apartado se pretende desarrollar una estrategia alternativa para la optimización simultánea y la integración de calor. La idea básica es llevar a cabo una ordenación implícita de todas las temperaturas del sistema, de esa manera los intervalos de temperatura quedan también implícitamente definidos. El modelo se compone de tres partes: en la primera, todas las temperaturas de entrada del sistema son implícitamente ordenadas, en el segundo, se calcula la cantidad de calor intercambiado por cada corriente en cada intervalo de temperatura, y en la tercera, se aplica el modelo de transbordo desarrollado por Papoulias y Grossmann con el fin de calcular los servicios calientes y fríos a aportar al sistema. Además se deben añadir un un etapa de preprocesado con el fin de fijar ciertas variables binarias, y un conjunto de relaciones lógicas que reducen considerablemente el espacio de búsqueda. Los resultados obtenidos con el nuevo modelo muestran resultados competitivos frente al modelo de Duran y Grossmann. Finalmente, y como última parte del trabajo doctoral, se lleva a cabo una serie de trabajos con el fin de desarrollar nuevas estructuras de modelado para la optimización rigurosa de problemas de síntesis de procesos, utilizando una combinación de simuladores de procesos junto a la formulación GDP. Esta investigación ha dado como resultado dos trabajos actualmente en revisión en revistas internacionales. El primero de los trabajos presenta una estructura de modelado para tratar problemas de síntesis, que incluyen diferentes modelos matemáticos para calcular o simular diferentes operaciones unitarias. Los avances en el diseño, optimización y síntesis de procesos químicos en los últimos años han sido impresionantes en todos los niveles, desde operaciones unitarias individuales hasta la optimización del diagrama de flujo completo. Hoy en día existen numerosos modelos para calcular, diseñar o simular prácticamente cualquier proceso químico. Dentro de los diferentes modelos existentes se pueden distinguir entre modelos en forma de ecuaciones, modelos en forma de caja negra con o sin acceso a las derivadas, etc\ldots En definitiva, la mejor alternativa de diseño es la selección y utilización del mejor modelo disponible venga de donde venga independientemente de su forma y características. Con todo ello, la idea principal del trabajo es el desarrollo de una estructura de modelado que sea capaz de trabajar simultáneamente con modelos con comportamiento y tratamiento numérico distintos, de tal forma que se seleccione el mejor modelo en cada caso para cada unidad. En este trabajo toda la estructura de modelado se desarrolla utilizando la programación disyuntiva, porque esta estructura es adecuada para hacer frente a este tipo de problemas, ya que permite encapsular cada modelo y utilizar un enfoque diferente en función de sus características. La estructura llevada a cabo utiliza disyunciones para capturar cada uno de los modelos de tal forma que se aprovechen las ventajas o minimizan los inconvenientes de cada uno. De esta manera es posible utilizar las derivadas algebraicas cuando están disponibles y simultáneamente implementar métodos robustos para estimar las derivadas de otros modelos sin la necesidad de interferir con el resto de modelos, y de esta forma mejorar el tiempo de cálculo computacional. A modo de ejemplo, el modelo es aplicado a una planta de generación de vapor donde ciertas unidades son calculadas a través de un simulador de procesos y otras son explícitamente representadas por ecuaciones. El resultado final es un sistema híbrido que incluye modelos implícitos procedentes de diferentes fuentes y con diferentes comportamientos numéricos. El segundo y último trabajo desarrollado presenta un nuevo marco de modelado para tratar los problemas de síntesis. En éste, las diferentes alternativas del proceso son modeladas en forma de una superestructura, y se resuelve utilizando una combinación sinérgica de simuladores de procesos comerciales junto a la formulación GDP. Hasta donde conocemos, no existe ninguna herramienta para la resolución de problemas donde la superestructura del proceso queda dibujada directamente sobre la interfaz gráfica del simulador de procesos (GUI). La estructura del modelo se centra en construir un problema GDP que es conectado con un simulador de procesos (Hysys Aspen), donde tanto la topología como los parámetros continuos del proceso son optimizados. Esta metodología permite incluir fácilmente restricciones y relaciones lógicas entre las alternativas, de tal forma que facilite la obtención de soluciones factibles. La herramienta propuesta utiliza el algoritmo de aproximaciones exteriores basada en la lógica y por lo tanto no es necesario volver a formular el problema como un MINLP. Como ejemplo se presenta la síntesis de una planta de producción de metanol, En este caso se presenta una superestructura que incluye todas las alternativas de interés, incluyendo diferentes alimentos, diferentes sistemas de compresión y diferentes condiciones de reacción.