Desarrollo de diseños de procesos para biorrefinerías: definiciones, categorías y operaciones unitarias

Desarrollo de diseños de procesos para biorrefinerías: definiciones, categorías y operaciones unitarias

En esta revisión, nos enfocamos en la literatura que describió las diversas operaciones unitarias en un diagrama de flujo de diseño de procesos de biorrefinerías. Comenzamos estableciendo las definiciones aceptadas de una biorrefinería, luego describimos cómo categorizar las biorrefinerías y finalmente revisamos la literatura sobre diseños de procesos de biorrefinerías enumerando la operación unitaria en cada diseño de proceso. Se discuten las biorrefinerías distintivas en función de la materia prima, los tipos de unidades de procesamiento y los productos que emanan de la biorrefinería.

Introducción

El diseño de procesos de las biorrefinerías se ha construido sobre la base de la síntesis, el análisis y el diseño de procesos basados en productos químicos tradicionales, un área que ha sido bien estudiada durante casi más de un siglo [ 1 ]. La síntesis de procesos basada en productos químicos ha evolucionado con el tiempo para identificar las rutas de procesamiento requeridas para producir los productos deseados, la identificación de las reacciones químicas involucradas, la selección y el diseño de las operaciones unitarias involucradas en la ruta de procesamiento, el cálculo de utilidades, desechos, emisiones, etc. [ 2 ]. Sin embargo, el procesamiento basado en biomasa tiene un largo camino por recorrer en este sentido. Aunque algunas rutas de procesamiento de biomasa, como maíz a etanol y residuos a biogás, han sido bien estudiadas y establecidas, la mayoría de las otras rutas de procesamiento de biomasa siguen siendo comercialmente no competitivas y abiertas a la investigación y el desarrollo continuos [ 3 , 4 , 5 , 6 , 7 ]. ].

La razón principal para desarrollar modelos de diseño de procesos de biorrefinerías es construir diagramas de flujo de procesos funcionales y conceptuales utilizando datos de experimentos de procesamiento de biomasa disponibles en la literatura. Una vez que se desarrollan los casos de referencia, la investigación futura y sus resultados anticipados pueden usarse para ampliar la vía, como modelo para diseñar biorrefinerías de demostración, etc. [ 8 ]. Incluso los desarrollos tecnológicos incrementales y las nuevas investigaciones en un proceso unitario específico pueden tener implicaciones positivas en las tecnologías complementarias del sistema. Además, los cambios menores en la operación de una unidad pueden influir en la economía del diseño general, con, por ejemplo, una probable reducción en los costos totales y/o mayores rendimientos de los productos. Por lo tanto, el diseño y la economía del proceso completo a menudo brindan los conocimientos necesarios para evaluar la viabilidad general de una biorrefinería.

Para encontrar productos óptimos a partir de la biomasa, el estudio de las herramientas de diseño de procesos debe combinarse con soluciones abiertas que involucren enfoques competitivos. Estos enfoques se clasifican en términos generales en tres métodos principales: en primer lugar, los que emplean heurística o se basan en el conocimiento; en segundo lugar, métodos que emplean técnicas matemáticas o de optimización; y, por último, métodos híbridos que combinan diferentes enfoques en un solo método [ 9 ]. El diseño de procesos puede proporcionar plataformas avanzadas de síntesis y optimización de procesos para construir sistemas de biorrefinería, que son económicamente viables, energéticamente eficientes y tienen una huella ambiental mínima. Esto implica la selección y el emparejamiento de varias operaciones unitarias para convertir un conjunto dado de entradas para generar un conjunto deseado de productos. Los objetivos de diseño pueden ser desarrollar un flujo de proceso con, por ejemplo, mayores rendimientos, costo mínimo (o alta rentabilidad), alta eficiencia energética (minimizando la utilización de recursos) y/o impacto ambiental mínimo. Los enfoques destacados para la optimización de procesos requieren el uso de heurística, el desarrollo de conocimientos físicos y la optimización de alternativas de superestructura [ 10 , 11 , 12 , 13 ].

En esta revisión, limitamos nuestro enfoque en el diseño de procesos y decidimos no cubrir la optimización de procesos. El procesamiento y la utilización de biomasa se ha estudiado en detalle desde la perspectiva de la optimización de procesos [ 2 , 14 , 15 , 16 ]. Sin embargo, todavía falta una revisión de la literatura donde se enumeren varias operaciones unitarias para tipos similares de rutas de procesamiento de biomasa junto con los productos. La gran mayoría de los modelos de proceso existentes se conciben debido a la disponibilidad de una materia prima y la riqueza de conocimientos en el procesamiento de la materia prima [ 12 , 17 , 18 ]. Rara vez se han modelado biorrefinerías donde el producto es la prioridad y la materia prima se ha seleccionado en función de los productos específicos. Sin embargo, con una necesidad cada vez mayor de encontrar vías alternativas para la producción de combustibles líquidos sostenibles, productos químicos, fertilizantes y energía a partir de biomasa, el análisis de biorrefinería a menudo se basa en la metodología de diseño de procesos para encontrar soluciones novedosas [ 19 , 20 ]. En esta metodología,

una vez que se han reducido las rutas de materia prima y procesamiento, el siguiente paso es la elección adecuada de un software de diseño de procesos.

Los modelos de diseño de procesos a menudo se desarrollan en un software de simulación de procesos dedicado, que permite balances de masa, energía y emisiones que se pueden extrapolar para tomar decisiones económicas. Estas herramientas/software de diseño de procesos son bastante potentes en sus cálculos. Su precisión depende del nivel de detalle proporcionado por el usuario y la familiaridad del usuario con el software en sí. Los modelos de procesos de biorrefinería se han desarrollado en Aspen Plus, SuperPro Designer, Matlab y Microsoft Excel [ 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 ]. La Tabla 1 a continuación resume las condiciones bajo las cuales los diferentes simuladores comerciales son los más adecuados para su uso.

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