Optimización de la zona de reacción, en el proceso de producción de furfural a partir de biomasa

Abstract

Actualmente, es bien sabido que los recursos de origen fósil son consumidos con mayor velocidad de la que se forman, así mismo: la contaminación extrema, la escases de agua y los cambios climáticos han generado un creciente problema ambiental a nivel global. Para resolver este problema, surge la necesidad de optimizar los procesos existentes, así como diseñar nuevos procesos, con el objetivo de lograr procesos más: limpios, seguros y sustentables. Sin embargo, esto trae nuevos problemas de optimización por resolver. Por lo que la optimización simultánea de parámetros de diseño y control ha sido de gran necesidad. La optimización convencional, resuelve ambos objetivos secuencialmente, por lo que no se garantiza que las condiciones de diseño “óptimas” (costos y parámetros de operación en estado estacionario) sigan siendo las mejores al evaluar el rendimiento dinámico del proceso. Por lo tanto, puede haber conflicto entre el diseño del proceso y la controlabilidad del proceso. Con la necesidad de obtener un modelo óptimo que involucre el diseño y el control, se ha propuesto que estos dos objetivos deben ser optimizados de manera simultanea para determinar un diseño final óptimo, esto debido a que las especificaciones de diseño tienen un efecto considerable en el comportamiento dinámico del proceso (Rijnsdorp JE, Bekkers P., 1992). En esta dirección, se han propuesto algoritmos de optimización para sistemas dinámicos, dando iniciativa a la Optimización Dinámica Mixto Entera (MIDO) para la optimización simultánea de diseño y control. En la literatura, se ha resuelto la optimización simultánea de los parámetros de diseño y control mediante métodos deterministas con modelos dinámicos simplificados. Hasta el momento, no hay informes publicados en la literatura donde la optimización simultánea de control de diseño considere el modelo extensivo del sistema. En este trabajo se presenta la optimización simultánea de los parámetros de diseño y control, utilizando métodos estocásticos como el algoritmo de Evolución Diferencial con Lista Tabú (DELT). Como caso de estudio, se ha propuesto la zona de reacción en el proceso de producción de furfural a partir de biomasa. Como función objetivo, el Costo Total Anual (TAC), el eco-indicador 99 (EI99) y el número de condición se utilizan como criterios económicos, ambientales y de control, respectivamente. A partir de la optimización multiobjetivo, los resultados muestran la influencia directa que tienen los parámetros de diseño sobre las propiedades de control que tienen un comportamiento antagonista. Como consecuencia, es posible ver que para tener las mejores propiedades de control hay un aumento en TAC y eco-indicator. Esta metodología permite obtener un diseño de sistema que abarque las mejores condiciones económicas, ambientales y de control, sin la necesidad de evaluar cada aspecto secuencialmente. En función de los resultados, las condiciones operativas encontradas permiten tener una producción de furfural aceptable al reducir los costos y el impacto ambiental, en un sistema con buenas propiedades de control en estado dinámico.