Design of hybrid separation processes incorporating membrane technologies. Diseño de procesos híbridos de separación incorporando tecnologías de membrana

Abstract

This doctoral thesis work is aimed to design new separation processes that result from the integration of conventional operations (such as distillation) with other membrane separation operations (such as pervaporation) leading to new hybrid processes that allow the separation of complex mixtures (such as azeotropic mixtures) to achieve energy savings compared to conventional processes with the consequent economic profit. In order to achieve the proposed objectives, the ETBE production process has been adopted as a case study, which is of great industrial importance and where energy costs have a great impact on the final product price. Based on previous studies by the PAS research group, experimental information on the separation process of ethanol/ETBE mixtures was used to develop a new mathematical model that reliably describes the pervaporation process using commercial membranes according to the operating conditions. In the next stage this model together with the material and energy balance equations were used to develop a user model in the Aspen Custom Modeler simulator. After validation, this model was exported to the Aspen Plus environment, in order to be able to implement in this simulation environment the different flowsheets that describe the alternative hybrid processes that have been proposed.

El objetivo general de este trabajo ha sido diseñar nuevos procesos de separación que resulten de la integración de operaciones convencionales (como destilación) con otras operaciones de separación con membranas (tales como pervaporación) que den como resultado nuevos procesos híbridos que permitan llevar a cabo la separación de mezclas complejas (tales como mezclas azeotrópicas) consiguiendo un ahorro energético respecto a los procesos convencionales con el consiguiente beneficio económico. Para alcanzar los objetivos planteados se ha adoptado como caso de estudio el proceso de producción de ETBE, el cual reviste gran importancia industrial y donde los cotes energéticos tienen una gran incidencia en precio final del producto. Basándose en estudios previos por parte del grupo de investigación PAS, se utilizó información experimental sobre el proceso de separación de mezclas etanol/ETBE para desarrollar un nuevo modelo matemático que describe de forma fiable el proceso de pervaporación mediante membranas comerciales en función de las condiciones de operación. En la siguiente etapa este modelo junto con las ecuaciones de balances de materia y energía se emplearon para desarrollar un modelo de usuario en el simulador Aspen Custom Modeler. Luego de validarlo, este modelo fue exportado al entorno de Aspen Plus, para así poder implementar en este ambiente de simulación los diferentes flowsheets que describen los procesos híbridos alternativos que se han propuesto.