Modelado, simulación y análisis tecnoeconómico de una unidad de pervaporación para la deshidratación de ciclohexano

Abstract

Dynasol Elastómeros S.A.U, una de las principales productoras de caucho sintético a nivel mundial. En su proceso de producción, es necesario deshidratar ciclohexano para su uso en reactores. La deshidratación se realiza actualmente mediante destilación, un método de purificación que consume una cantidad considerable de energía, lo que exige la exploración de alternativas más sostenibles. A través de una revisión de la literatura, se ha identificado la oportunidad de implementar la tecnología de pervaporación para deshidratar el ciclohexano, basándose en trabajos experimentales previos de la Universidad de Cantabria. Sobre esta base, se ha desarrollado y simulado un modelo de proceso para caracterizar el escalado de una unidad de pervaporación combinada con la columna de destilación existente. El escalado teórico ha incluido la determinación de las dimensiones y configuración de la unidad, además de la evaluación de los aspectos tecno económicos y la viabilidad de la instalación. Para el desarrollo y la simulación del modelo, se han utilizado Matlab 2023a y Aspen Plus 14. El modelo incorpora balances diferenciales de materia y energía, junto con una función específica para su resolución, así como el apartado de cálculo económico. La operación de la columna de destilación se ha simulado en Aspen para evaluar el ahorro de vapor logrado con la unidad de pervaporación. La validación del modelo se ha realizado utilizando datos experimentales de los trabajos previos de la Universidad de Cantabria. La configuración propuesta resulta en una tasa de recuperación de agua del 41 %, lo que reduce el consumo de vapor en la columna de destilación. La evaluación económica anticipa un costo total de inversión de 226600 euros, con un costo anualizado de 18200 euros. Los costos operativos, que incluyen electricidad, mantenimiento, reemplazo de membranas y mano de obra, se estimaron en 59600 euros anuales. En general, teniendo en cuenta tanto los costos de inversión como los operativos, el costo anualizado de la instalación es de 77800 euros. El ahorro resultante del menor consumo de vapor cubre ampliamente este costo, lo que resulta en un ahorro económico neto anual de 134200 euros. Además, un análisis de sensibilidad ha demostrado la solidez de la inversión frente a cambios en las tasas de interés y los años de amortización. El escalado teórico presentado sugiere que la implementación de una unidad de pervaporación es una alternativa atractiva. Sin embargo, se requiere una verificación experimental adicional de las suposiciones, así como la validación de los resultados obtenidos para las condiciones hidrodinámicas y de transporte propuestas antes de avanzar con la inversión. Trabajos futuros podrían incluir la aplicación de esta tecnología para deshidratar otros productos de producción de caucho, como el estireno y el butadieno, y la optimización de la configuración y arquitectura de la unidad de membrana utilizando el modelo existente.

Dynasol Elastómeros S.A.U, one of the leading producers of synthetic rubber worldwide. In their production process, it is necessary to dehydrate cyclohexane for use in reactors. Dehydration is currently carried out through distillation, a purification method that consumes a considerable amount of energy, necessitating the exploration of more sustainable alternatives. Through a literature review, the opportunity to implement pervaporation technology for cyclohexane dehydration has been identified, based on previous experimental work performed at University of Cantabria. Based on this, a process model has been developed and simulated to characterize the scaling of a pervaporation unit combined with the existing distillation column. The theoretical scaling has included the determination of unit dimensions and configuration, as well as the evaluation of techno-economic aspects and the feasibility of the installation. For the development and simulation of the model, Matlab 2023a and Aspen Plus 14 have been used. The model incorporates mass and energy differential balances, along with a specific function for its resolution, as well as the economic calculation section. The operation of the distillation column has been simulated in Aspen to evaluate the steam savings achieved with the pervaporation unit. Model validation has been conducted using experimental data from previous work at the University of Cantabria. The proposed configuration results in a water recovery rate of 41%, reducing steam consumption in the distillation column. The economic evaluation anticipates a total investment cost of 226,600 euros, with an annualized cost of 18,200 euros. Operating costs, including electricity, maintenance, membrane replacement, and labor, were estimated at 59,600 euros annually. Overall, considering both investment and operating costs, the annualized cost of the installation is 77,800 euros. The resulting savings from reduced steam consumption more than cover this cost, resulting in an annual net economic saving of 134,200 euros. Additionally, a sensitivity analysis has demonstrated the robustness of the investment against changes in interest rates and amortization periods. The theoretical scaling presented suggests that implementing a pervaporation unit is an attractive alternative. However, additional experimental verification of assumptions is required, as well as validation of the results obtained for the proposed hydrodynamic and transport conditions before proceeding with the investment. Future work could include applying this technology to dehydrate other rubber production products, such as styrene and butadiene, and optimizing the configuration and architecture of the membrane unit using the existing model.