Simulación numérica y optimización de los parámetros de funcionamiento de un SMB

Abstract

L’objecte del present estudi és la optimització d’un sistema de separació mitjançant llit mòbil simulat (SMB), mitjançant la seva simulació numèrica. Per a això, s’ha desenvolupat un mètode de simulació numèrica per columnes d’adsorció, per al model amb transport de matèria. D’aquesta manera, s’aconsegueix minimitzar el nombre de càlculs necessaris per a la simulació d’una columna cromatogràfica, sense pèrdua de precisió. S’ha desenvolupat i aplicat el mateix mètode per al model amb transport de matèria i difusió axial. Els resultats de la simulació de columnes cromatogràfiques per a una substància i per a barreges binàries han estat validats tot comparant-los amb resultats experimentals. A més, s’ha ampliat l’aplicabilitat dels mètodes teòrics d’optimització, a isotermes no lineals i no-Langmuir, mitjançant la integració numèrica de les corbes hodogràfiques. Aquest mètode d’integració permet simular el funcionament d’un conjunt de columnes de separació fins arribar a l’estat estacionari del sistema. Per a això s’ha desenvolupat un programa per a la simulació d’un sistema de llit mòbil simulat (SMB), capaç de simular diverses configuracions. S’han validat els resultats de la seva utilització tot comparant-ho amb resultats publicats a la bibliografia. S’ha establert una estratègia d’optimització dels paràmetres de funcionament d’un SMB, amb objecte de minimitzar el cost del sistema. S’han utilitzat els mètodes teòrics per a establir unes condicions de treball inicials per tal de ser posteriorment refinades mitjançant un algoritme símplex modificat. L’aplicació d’aquest mètode d’optimització a diversos casos publicats a la bibliografia, per a barreges binàries amb isoterma d’adsorció lineal, Langmuir i bi-Langmuir, aconsegueix en tots els casos reproduir o millorar els resultats originals. El mateix mètode s’ha utilitzat en algun dels casos per a proposar millores en la configuració del sistema.

El objeto del presente estudio es la optimización de un sistema de separación por lecho móvil simulado (SMB), mediante su simulación numérica. Para ello, se ha desarrollado un método de simulación numérica para columnas de adsorción, para el modelo con transporte de materia. Se consigue así minimizar el número de cálculos necesarios para la simulación de una columna cromatográfica, sin pérdida de precisión. Se ha desarrollado y aplicado el mismo método para el modelo con transporte de materia y difusión axial. Los resultados de la simulación de columnas cromatográficas para una sustancia y para mezclas binarias han sido validados comparándolos con resultados experimentales. Además, se ha ampliado la aplicabilidad de los métodos teóricos de optimización, a isotermas no lineales y no Langmuir, mediante la integración numérica de las curvas hodográficas. Este método de integración permite simular el funcionamiento de un conjunto de columnas de separación hasta alcanzar el estado estacionario del sistema. Para ello se ha desarrollado un programa para la simulación de un sistema de lecho móvil simulado (SMB), capaz de simular diversas configuraciones. Se han validado los resultados de su utilización comparándolo con resultados publicados en la bibliografía. Se ha establecido una estrategia de optimización de los parámetros de funcionamiento de un SMB, con objeto de minimizar el coste del sistema. Se han utilizado los métodos teóricos para establecer unas condiciones de trabajo iniciales para su posterior refinado mediante un algoritmo simplex modificado. Al aplicar este método de optimización a diversos casos publicados en la bibliografía, para mezclas binarias con isoterma de adsorción lineal, Langmuir y bi-Langmuir, se consigue en todos los casos reproducir o mejorar los resultados originales. El mismo método se ha utilizado en alguno de los casos para proponer mejoras en la configuración del sistema.

The purpose of this study is the optimization of a simulated moving bed system (SMB), by numerical simulation. To do this, we have developed a method for numerical simulation of adsorption columns, for the mass transport model. This method minimizes the number of calculations required for the simulation of a chromatographic column, without loss of accuracy. The same method has been developed and applied for the model with mass transfer and axial diffusion. The simulation results of chromatographic columns for one substance and for binary mixtures have been validated by comparing them with experimental results. Furthermore, it has been expanded the applicability of theoretical methods of optimization, nonlinear isotherms and Langmuir, by numerical integration of the hodographic curves. This method allows simulating the operation of a separation column up to the steady state of the system. For this it has been developed a program for simulating a simulated moving bed system (SMB) able to simulate various configurations. The results of its use compared with results published in the literature give a validation of the method. An optimization strategy of the operating parameters of a SMB has been established, in order to minimize the cost of the system. Theoretical methods had been used to establish initial working conditions for further refinement using a simplex algorithm. Applying this optimization method to several cases reported in the literature for binary mixtures with linear adsorption isotherm, Langmuir and bi-Langmuir, permitted in every case to reproduce or enhance the original results. The same method has been used in some cases to suggest improvements to the system configuration.