Modelo y Simulación de un cristalizador continuo de mezcla perfecta utilizando el método de volúmenes finitos para la resolución de los balances de población

En la industria química, la cristalización es un proceso comúnmente empleado para la producción de sólidos a partir de soluciones líquidas. Esta operación se basa en la nucleación y el crecimiento de partículas sólidas, dando como resultado la formación de cristales. La industria farmacéutica, alimenticia o química son solo algunas dentro de la gran variedad que existe que emplean la cristalización en alguno de sus procesos. A lo largo del presente estudio se realiza el modelo y simulación de un cristalizador de sulfato de potasio continuo de mezcla perfecta, sobre el que se han llevado a cabo una serie de actividades con el fin de validar y estudiar el modelo propuesto, así como analizar su comportamiento frente a la variación de distintos parámetros y explorar posibles líneas de futuro. El Sulfato de Potasio es un compuesto químico ampliamente utilizado en la industria agrícola y en la producción de fertilizantes, y es en el caso de estudio, el compuesto elegido para cristalizar. El modelo propuesto se examinará frente modelos bibliográficos ya publicados previamente. Para garantizar la precisión y fiabilidad del modelo desarrollado, realizar la validación es fundamental. Esta se lleva a cabo empleando el software Aspen Custom Modeler, que ofrece herramientas avanzadas para la simulación y optimización de procesos químicos, lo cual ha permitido plantear modelo realizado, y obtener unos resultados rigurosos. Para llevar a cabo la resolución de los balances de población, se emplea el método de volúmenes finitos. Este método discretiza el dominio del problema en celdas o volúmenes finitos, y resuelve los distintos balances de masa o energía en cada una de estas celdas. En relación a esto y en búsqueda de la mayor proximidad posible entre el modelo realizado y el original se probaron varios esquemas de discretización como el método de diferencias regresivas aguas arriba (upwind), el de diferencias centradas, esquemas combinados o incluso esquemas de alta resolución como el de Sweby. Durante la simulación y análisis, se detectó un error en el modelo bibliográfico proporcionado por Aspen Custom Modeler, el cual fue empleado como base para todos los análisis. Dicho error fue solventado, permitiendo que se compare de manera más efectiva con los casos elaborados, obteniendo de este modo unos resultados prácticamente equivalentes a los del modelo corregido. Además, para llevar a cabo una evaluación equilibrada entre los resultados obtenidos y el coste computacional empleado para ello, se han medido los tiempos de ejecución de cada caso, así como estudiado la resolución del mallado, es decir la cantidad óptima de nodos y celdas necesarios, todo ello con el objetivo de evaluar estos parámetros junto con la calidad de los resultados obtenidos. Así mismo se ha realizado un exhaustivo análisis de los resultados tras la validación del modelo. Esto se ha llevado a cabo empleando diferentes gráficas y representaciones. Se han evaluado variables como la concentración y la densidad del magma en el tiempo, así como analizado gráficas tridimensionales que representan la densidad poblacional, el tiempo y el tamaño del cristal. Todo ello además de estudiar la distribución de tamaños de partículas generadas durante el proceso de cristalización, y el número de cristales obtenidos para cada tamaño. En relación a esta última línea de estudio, proyectando la simulación a un caso real, se busca un mayor número de cristales de tamaño superior para facilitar la distribución de este fertilizante en el terreno agrícola. Esto se lleva a cabo por medio de la modificación de parámetros como el caudal de entrada o la temperatura. Para comprender el comportamiento de las variables representadas en los gráficos, se han realizado modificaciones en algunos parámetros clave, como por ejemplo la temperatura o la concentración de entrada. El análisis de estos casos presenta un gran interés para el estudio ya que al aumentar la temperatura la velocidad de formación de cristales y la calidad de los mismos puede verse afectada. Del mismo modo, incrementar la concentración de entrada puede afectar la cinética de crecimiento de los cristales y saturación del sistema. Los hallazgos y recomendaciones de este estudio contribuirán a una comprensión más profunda de la cristalización del sulfato de potasio, así como de una herramienta de modelado sólida que se puede aplicar en la industria química para mejorar la eficiencia de la producción y la calidad del producto