Cálculo del Equilibrio de Fases Vapor-Líquido en Sistemas Binarios Alcanol-Alcano Usando Software Libre

Abstract

Determinar el equilibrio de fases ELV en sistemas binarios alcanol-alcano es un fenómeno fundamental para la ingeniería química y la termodinámica ya que su estudio y correcta determinación es importante para realizar diseños y optimizar procesos de separación como la destilación, absorción y extracción. La operación de separación es importante para el procesamiento de químicos, se hace con el objetivo de purificar y recuperar productos. La estimación de los costos para obtener derivados por medio de esta operación, incluyendo equipos y consumo energético, está alrededor de hasta el 90% de los costos totales de una planta. Sin embargo, muchas herramientas que se encuentran disponibles para realizar este tipo de análisis llegan a depender de usar softwares licenciados, cuyo alto costo y restricciones limitan su accesibilidad. Por ello, esta investigación promueve el uso de software libre que incorpora modelos termodinámicos previamente estudiados, como una alternativa viable y flexible para la simulación del ELV en este tipo de sistemas.

Durante esta investigación, se realizaron simulaciones con diez mezclas de tipo Alcanol-Alcano empleando simuladores de libre acceso como DWSIM y COCO bajo diferentes condiciones de presión y temperatura. Los resultados de las simulaciones se compararon con datos experimentales con el fin de evaluar la precisión y aplicabilidad de los modelos termodinámicos aplicados; posteriormente, se realizó un análisis estadístico y evaluaciones gráficas. En general, dicho análisis evidenció que DWSIM presenta un mejor desempeño global en comparación con COCO, reflejado en menores valores de error absoluto medio MAE y raíz del error cuadrático medio RMSE, así como en coeficientes de determinación R^2 más cercanos a 1 en la mayoría de las mezclas evaluadas, siendo esta diferencia especialmente notable en sistemas con alta no idealidad. En la mezcla etanol–heptano para el Conjunto 1 en fase de burbuja, COCO presenta un error absoluto medio de 6,7357, mientras que DWSIM reduce este valor a 0,4911 (≈92,7% de reducción del error), y de manera similar, en pentanol–decano para el Conjunto 2 en fase de rocío, el error absoluto medio disminuye de 3,5199 a 1,0926 (más del 65%). A pesar de la ventaja general de DWSIM, COCO presenta un mejor desempeño en algunos sistemas puntuales, como en propanol–octano (error absoluto medio de 0,1850 frente a 0,3657 en DWSIM) y butanol–octano, donde también se observan menores errores. En este contexto, los resultados más sobresalientes para los modelos correlativos ejecutados en DWSIM presentaron una exactitud predictiva levemente superior, logrando reducir el error absoluto medio MAE por debajo de 1.0 kPa. Modelos termodinámicos como UNIFAC y UNIFAC NIST lograron resultados de coeficientes de determinación por lo que demostraron ser altamente competitivos, promediando niveles de 0.99 en la mayoría de sistemas y, para las condiciones operativas ensayadas 𝑃 < 500 kPa, el acoplamiento de modelos de coeficientes de actividad con la asunción de gas ideal resulta adecuado para el tratamiento de estas mezclas en ambas fases.

En conclusión, es viable utilizar software de código abierto para la determinación del equilibrio de fases vapor-líquido, siempre que se seleccionen los modelos termodinámicos adecuados para la mezcla en estudio.