La destilación es una de las operaciones unitarias más importantes. Solamente la industria petrolera, con cerca de 900 refinerías a lo largo del mundo, posee una capacidad primaria de destilación de 3.8 miles de millones de toneladas por año.
La industria del gas natural (1.4 miles de millones de toneladas por año) es altamente dependiente de la tecnología de la destilación; la separación del gas licuado en C 3 /C 4 y gasolina natural es un ejemplo de las muchas aplicaciones.
La industria de la destilación criogénica del aire, como su nombre lo indica, tiene como objetivo la producción de oxígeno, nitrógeno y argón que sirven como materias primas para otras industrias no menos importantes.
Es decir, la producción de petroquímicos y otros compuestos orgánicos posee una fuerte dependencia en la destilación, aunque ésta también es utilizada en el procesamiento de productos de bajo volumen de producción pero con alto valor agregado.
La investigación en destilación repetidas veces se ha declarado un área muerta. Sin embargo, ha habido un interés renovado en los últimos años, especialmente desde que las columnas de destilación se han convertido en un tema favorito de la ingeniería de procesos, incluyendo áreas de síntesis, dinámica de sistemas y control de sistemas. La razón es que las columnas de destilación son por sí solas un sistema.
La principal desventaja de la destilación son sus grandes consumos de energía y se ha estimado que del consumo de energía mundial el 3% se gasta en las columnas de destilación (Hewitt et al., 1999). En las tres últimas décadas se ha prestado considerable atención a este problema, tomando la pauta la ingeniería de procesos, sobre todo en el área de síntesis y optimización de procesos, logrando aumentar en cierta medida la eficiencia del proceso de destilación. Los logros alcanzados hasta la fecha pueden ser clasificados en dos principales tipos:
• Aquellos que no modifican la estructura simple de destilación.
• Aquellos que sí lo hacen.
Con relación a esta última opción se han realizado estudios encaminados a lograr ahorros de energía, los cuales se pueden dividir en cuatro categorías: ahorro de energía en columnas de destilación convencionales, procesos alternos con ahorro de energía, integración de columnas individuales con otras columnas o con el proceso global y secuencias de destilación con acoplamientos térmico. Esta última opción constituye el tema central del presente proyecto de trabajo.
Es posible acoplar térmicamente arreglos de dos o más columnas cuando se encuentran relacionados entre sí por alguna corriente de proceso; este acoplamiento se lleva a cabo eliminando un rehervidor y/o un condensador mediante la introducción de corrientes laterales de líquido y vapor que conectan entre sí a dichas columnas y a través de las cuales se da la transferencia de calor.
Las secuencias de destilación térmicamente acopladas, para la separación de mezclas ternarias, han sido objeto de estudio durante los últimos 25 años. Existen diversas investigaciones (Tedder y Rudd, 1978; Glinos y Malone, 1988; Fidkowski y Krolikowski, 1990; Triantafyllou y Smith, 1992; Yeomans y Grossmann 2000), principalmente sobre tres tipos de secuencias: la secuencia térmicamente acoplada directa o con rectificador lateral (STAD), la secuencia térmicamente acoplada indirecta o con agotador lateral (STAI) y la secuencia con acoplamiento térmico total (columna Petlyuk). Los estudios reportados han coincidido en que dichas secuencias, cada una en mayor o menor proporción de acuerdo a las especificaciones de la mezcla a separar, presentan ahorros de energía alrededor del 30% comparado con las secuencias de destilación convencionales.
Junto con los estudios en consumo de energía de los esquemas térmicamente acopladas algunos autores han establecido (entre ellos Fidkowski y Krolikowski, 1990) que dichas columnas pueden presentar problemas de controlabilidad debido a su estructura relativamente compleja. Como consecuencia, poco se ha hecho por la identificación de las dinámicas del proceso y, más aún, en el planteamiento de leyes de control retroalimentado que aseguren su operación.
Hoy día la búsqueda de procesos que tengan operaciones óptimas (mejores eficiencias termodinámicas, bajos consumos de energía, buena controlabilidad, reducidos costos de operación, tiempos cortos de recuperación de inversiones) es uno de los más importantes retos en el área de procesos. El área de investigación en esquemas de destilación con acoplamiento térmico, es uno de las temas con mayor auge en el área de síntesis y diseño de procesos, ya que cumple varias de las características de operación óptima.
El desarrollo de esta área de investigación, en cualquier Departamento de Ingeniería Química, es vital ya que permite estar a la vanguardia en el área de procesos y contribuir a la generación de ideas innovadoras que permiten enfrentar los retos actuales que demanda la industria y la sociedad.
