Aplicación de la Dinámica de Partículas Disipativas (DPD) en la selección de solventes para procesos de separación de hidrocarburos

Abstract

El eje principal de esta tesis fue el desarrollo de una metodología de simulación basada en la Dinámica de Partículas Disipativas (DPD); la cual, permitió la estimación de tensiones interfaciales líquido-líquido (IFT). Siendo útil en la selección de solventes para su aplicación en procesos híbridos de extracción líquido-líquido-destilación extractiva (LLE-ED) y destilación extractiva (ED), en la separación de mezclas azeotrópicas de hidrocarburos. Primeramente, se realizaron las simulaciones DPD de los sistemas binarios solvente-ciclohexano/n-hexano/benceno, utilizando solventes orgánicos y estudiando el efecto de la temperatura en la IFT. Los solventes que favorecieron a una baja IFT con el benceno, y elevada IFT con el ciclohexano y el n-hexano, fueron seleccionados como solventes potenciales. De acuerdo con los resultados, el etilenglicol y el sulfolano son solventes aplicables en los procesos de ED y LLE-ED para la purificación de las mezclas ciclohexano/benceno y n-hexano/benceno, respectivamente. Sin embargo, a pesar de que el sulfolano fue previamente seleccionado, se propuso el uso del carbonato de propileno como solvente, debido a su baja toxicidad y propiedades fisicoquímicas similares al sulfolano. Posteriormente, se simularon los procesos de ED y LLE-ED utilizando un algoritmo de optimización iterativo, con el objetivo de minimizar el consumo energético, económico y de emisiones de CO2; mientras, se obtienen purezas de ciclohexano y benceno ≥ 99.91 mol%, y concentraciones de n-hexano ≥ 99.99 mol%. La implementación de esta técnica de selección de solventes favoreció al diseño de procesos de ED más económicos y menos contaminantes, en comparación con procesos reportados en la literatura.

The main focus of this thesis was the develop of a simulation methodology based on Dissipative Particle Dynamics (DPD), which allowed for the estimation of liquid-liquid interfacial tensions (IFT). This methodology is useful in the selection of solvents for application in hybrid liquid-liquid extraction-extractive distillation (LLE-ED) and extractive distillation (ED) processes, in the separation of azeotropic hydrocarbon mixtures. Firstly, DPD simulations of solvent-cyclohexane/n-hexane/benzene binary systems were performed using organic solvents and studying the effect of temperature on the IFT. Solvents that favored low IFT with benzene and high IFT with cyclohexane and n-hexane were selected as potential solvents. According to the results, ethylene glycol and sulfolane are suitable solvents for ED and LLE-ED processes for the purification of cyclohexane/benzene and n-hexane/benzene mixtures, respectively. However, although sulfolane was previously selected, propylene carbonate was proposed as solvent due to its low toxicity and physicochemical properties similar to sulfolane. Subsequently, the ED and LLE-ED processes were simulated using an iterative optimization algorithm, with the objective of minimizing energy consumption, cost, and CO2 emissions; meanwhile, cyclohexane and benzene purities ≥ 99.91 mol%, and n-hexane concentrations ≥ 99.99 mol% were obtained. The implementation of this solvent selection technique favored the design of more economical and less polluting ED processes, compared to processes reported in the literature.