The optimization of advanced intensified distillation operation systems is crucial for achieving sustainability in the chemical industry. In this paper, we present a stochastic data-driven Bayesian ...optimization approach for the design and operation of ethanol distillation separation systems. The proposed optimal design methodology does not require a first-principles mathematical model to draw optimal operating conditions. The approach involves an initial sampling of input/output system measurements, followed by the construction of an approximate input/output Gaussian process model. The next best sampling point is then drawn using an acquisition function, and the algorithm converges when the optimization function value does not change or when the maximum number of iterations is reached. We address the optimal parametric design of advanced ethanol–water intensified distillation separation systems, assuming a mixture of the ethanol–water system is available, and almost anhydrous ethanol is required for mobility applications. We also consider the impact of noisy measurements on the optimality operating region. The proposed approach can be extended to the optimization of merged discrete and continuous systems. Bayesian optimization techniques represent black-box optimization strategies that can be employed for the continuous online optimization of intricate separation systems. These techniques aid in mitigating sustainability issues by reducing mass and energy requirements.
Display omitted
•Novel ethanol distillation design without reliance on mathematical models.•Optimal processing via input/output measurements only.•Bayesian optimization navigates noisy data for optimal regions.•Efficient method cuts chemical production impact, boosts socio-economic outcomes.•Applicable to diverse chemical separation systems, extends to dynamic system optimization.
Anaerobic digestion (AD) is a biological treatment susceptible to temperature variations. The Arrhenius model and the Van´t Hoff-Arrhenius relationship analyze the temperature effect in AD ...first-order kinetic constant (k). Kinetic data is relevant for estimating the hydraulic retention time (HRT) in continuous reactors. This research aimed to evaluate the behavior of kinetic constants concerning temperature using the Arrhenius model and Van´t Hoff-Arrhenius relationship and analyze the influence of kinetic constants as estimators of the HRT. The evaluation of the temperature effect in AD analyzed k fit to the Arrhenius model and Van’t Hoff-Arrhenius relationship. The research used data of AD methane yield (B0) kinetics from the literature, corresponding to macroalgae (MA) (25, 35, 45oC), swine manure (SM) (25, 30, 35oC), and co-digestion of chicken manure with sawdust and miscanthus (CM) (35, 40, 42oC). The Arrhenius model and Van´t Hoff-Arrhenius relationship fitted the data with reduced temperature intervals (∆T = 5°C). The HRT analysis used a mass balance model considering 80% of the maximum B0 compared with the technical digestion time at 80 (T80) and 90% (T90) of the maximum B0. The results indicate that the HRT calculation is sensitive for k below 0.13 d-1.
La recuperación de dióxido de carbono (CO2) en las destilerías de etanol es un factor importante que aporta beneficios económicos y ambientales. El objetivo de esta investigación fue obtener un ...modelo de simulación validado para la evaluación de la etapa de recuperación y purificación de CO2 en una destilería cubana. La metodología empleada consistió en obtención y validación del modelo de simulación en Aspen Hysys v.10.0, evaluación de alternativas de mejoras, y realización de un análisis técnico-económico. En el desarrollo de la simulación, se seleccionó NRTL para la estimación de las propiedades para el equilibrio entre el agua y las sustancias orgánicas a bajas presiones en la fase líquida e ideal para la fase vapor. Para el refrigerante, se seleccionó el modelo de Antoine, aplicable para sistemas a bajas presiones y considerando que el comportamiento de la fase líquida es ideal. El modelo de simulación obtenido en el caso base fue validado con los datos reales del proceso con un máximo error relativo inferior al 8 %. Se evaluaron cinco alternativas del ciclo de refrigeración en las que se emplearon nuevos refrigerantes (R-404a, R-290, R-152a, R-600a, R-417a) y se analizó la influencia de las variables de operación en los indicadores de comportamiento del sistema de refrigeración. Desde el punto de vista técnico, la mejor alternativa fue el R-600a, pero en comparación con el caso base, los resultados fueron inferiores. Con el empleo de los nuevos refrigerantes, al rediseñar el ciclo de refrigeración no se obtuvieron rendimientos superiores al 60%.
The recovery of carbon dioxide (CO2) in ethanol distilleries is an important factor that provides both economic and environmental benefits. This research aims to obtain a validated simulation model for evaluating the CO2 recovery and purification stage in a Cuban distillery. The methodology used includes obtaining and validating the simulation model in Aspen Hysys v.10.0, evaluating improvement alternatives, and performing a technical-economic analysis. The simulation utilized the NRTL method to estimate properties for the equilibrium between water and organic substances at low pressures in the liquid phase and ideal for the vapor phase, and the Antoine model was used for the refrigerant in low pressure systems, assuming ideal behavior in the liquid phase. The model was validated with real process data, with a maximum relative error of less than 8%. Five refrigeration cycle alternatives were evaluated using new refrigerants (R-404a, R-290, R-152a, R-600a, R-417a), and the influence of the operating variables on the performance indicators behavior of the refrigeration system was analyzed. The best alternative from a technical point of view was R-600a, but the results were inferior compared to the base case. The redesign of the refrigeration cycle using new refrigerants did not result in efficiencies greater than 60%.
Anaerobic digestion (AD) is a process of decomposition of organic matter in which the main product is a gaseous mixture called biogas, which has potential as a fuel. Anaerobic co-digestion (ACoD) is ...a technological alternative to improve the performance of the process, focused on balancing the C/N ratio and diluting inhibitory components. The literature highlights the increase in methane yield through ACoD. This investigation analyzed the mixing effects on methane yield kinetics, using articles that report kinetic coefficients in Cone and Gompertz models modified for binary and ternary mixtures. The analysis of the mixtures considered the sum of the contributions for each mixture using the adjusted kinetic coefficients for the monosubstrates. The mixing effects analysis compared the additive model fitted to the modified Cone and Gompertz models. The comparison made with the coefficients for the additive model and the experimental data presented relevant variations of 10%. This allowed to establish that the mixing effects can influence the methane yield as well as the kinetic constants of the process.
The rum aging process shows volume losses, called wastage. The numerical operation variables: product, boardwalk, horizontal and vertical positions, date, volume, alcoholic degree, temperature, ...humidity and aging time, recorded in databases, contain valuable information to study the process. MATLAB 2017 software was used to estimate volume losses. In the modeling of the rum aging process, the multilayer perceptron neuronal network with one and two hidden layers was used, varying the number of neurons in these between 4 and 10. The Levenberg-Marquadt (LM) and Bayesian training algorithms were compared (Bay) The increase in 6 consecutive iterations of the validation error and 1,000 as the maximum number of training cycles were the criteria used to stop the training. The input variables to the network were: numerical month, volume, temperature, humidity, initial alcoholic degree and aging time, while the output variable was wastage. 546 pairs of input/output data were processed. The statistical Friedman and Wilcoxon tests were performed to select the best neural architecture according to the mean square error (MSE) criteria. The selected topology has a 6-4-4-1 structure, with an MSE of 2.1∙10-3 and a correlation factor (R) with experimental data of 0.9898. The neural network obtained was used to simulate thirteen initial aging conditions that were not used for training and validation, detecting a coefficient of determination (R2) of 0.9961.
En el presente trabajo se comparan condiciones de operación para diferentes fluidos en ciclos de Rankine orgánicos, que utilicen energías de bajo grado. Los fluidos estudiados fueron: R152a ...(1,1-difluroetano), R-290 (propano), R-600a (2-metilpropano o isobutano), R-744 (dióxido de carbono), y R-1270 (propileno). Se realizó la simulación del ciclo de Rankine orgánico y de sus modificaciones: ciclo con recalentamiento intermedio, ciclo de regeneración y ciclo con recalentamiento y regeneración. Se usó el simulador de procesos HYSYS v3.2. Los mejores resultados se alcanzaron para el ciclo con regeneración, aunque los rendimientos térmicos fueron inferiores al 10%. Se simularon condiciones de operación que permitieran superar este valor, lo cual se logró con el refrigerante R-600a en el ciclo Rankine con regeneración, que opere entre 3 500 kPa y 150 ºC a la entrada de la turbina, y 700 kPa en el condensador. Con ello se obtiene un rendimiento térmico de 15,33% y se producen 7,11 kW de potencia eléctrica.
Resumen El añejamiento de ron experimenta pérdidas de volumen, denominadas mermas. Las variables de operación: producto, rambla, posiciones horizontal y vertical, fecha, volumen, grado alcohólico, ...temperatura, humedad y tiempo de añejamiento, registradas en bases de datos, contienen información valiosa para estudiar el proceso. Las variables cualitativas se procesaron utilizando el software Weka 3.8.0 mientras que las cuantitativas se sometieron a un análisis estadístico empleando Statgraphics Centurion XVll.2. Las mayores mermas corresponden a toneles ubicados en áreas donde irradia el sol, favoreciendo la evaporación del producto. Las variables temperatura y humedad presentan coeficientes de variación muy elevados; debido a la no existencia de control sobre estos factores y sugiriendo la necesidad de regulación. Se obtuvo un modelo de regresión que logra predecir las mermas en función de las variables: mes numérico, volumen y tiempo de añejamiento con valores de error cuadrático medio (ECM) y R2 de 0,115 y 95,88 % respectivamente.
RESUMEN Introducción: El empleo de la biomasa con origen en la caña de azúcar para la formación de una industria eminentemente energética es una posibilidad real, tanto desde el punto de vista ...técnico como económico. Objetivo: Evaluar alternativas para el aumento de la generación de energía eléctrica en la empresa agroindustrial Héctor Molina de forma segura y estable. Materiales y Métodos: Se utilizó el software Sistema Termo Azúcar (STA v4.1) para la simulación del sistema termoenergético (STE). Se evaluó el caso base y partiendo de las deficiencias detectadas se propusieron alternativas de modificación. Resultados y Discusión: Las alternativas evaluadas fueron cinco: modificación de parámetros en la zona de baja presión, modificación de parámetros en la zona de alta presión, combinación de ambas, instalación de un sistema conformado por dos generadores de vapor y dos turbogeneradores e instalación de un sistema conformado por un generador de vapor y un turbogenerador de extracción-condensación. Se calcularon y compararon los indicadores globales, por área y por equipos para el caso base y las cinco alternativas, tres que no requieren inversión y dos con inversiones. Conclusiones: Los principales problemas asociados al sistema son: el consumo de vapor de la fábrica, provocado en parte por el superior consumo de vapor en los tachos, y los bajos índices de generación eléctrica. De la simulación se concluye que todas las alternativas son técnicamente favorables. A partir del análisis económico, se concluye que la alternativa tres es la mejor sin inversión y la quinta, cuando se realiza inversión.
La desalinización de agua de mar se ha estudiado con interés debido a la escasez de agua dulce para consumo humano. La destilación solar es un método antiguo; la productividad, consumo energético del ...proceso y el costo del agua desalinizada así obtenida dependen de la eficiencia que se alcance en cada una de las etapas de estos sistemas. La limitada capacidad de absorber la radiación solar y transformarla en calor útil para la evaporación, la interacción con el medio circundante, y las pérdidas de calor limitan la eficiencia global del proceso térmico y la productividad. Como la energía proviene de la radiación solar, la productividad máxima de este proceso estará limitada por la magnitud de la radiación solar total disponible en una zona del planeta debido a su ubicación geográfica, época del año y condiciones climáticas locales. Los procesos a partir de esa energía estarán limitados termodinámicamente por los coeficientes de transferencia térmica que se alcancen en el equipo, por el máximo que pueda alcanzar el calor de evaporación, mientras que las pérdidas al ambiente por convección y radiación sean mínimas.
Se presentan análisis comparativos de varios modelos propuestos, datos reportados de destiladores, datos reportados de radiación solar que alcanzan valores promedio de hasta 7,2 – 7,4 kWh/m2 en algunas regiones del planeta y se hacen estimaciones para productividad de estos equipos que alcanzan entre 6,7 y 6,9 kg/m2día y la eficiencia máxima teórica se encuentra alrededor de 0,16 de la radiación solar total.
En la presente investigación se realizó la caracterización química, física y microbiológica de las vinazas resultantes de la producción de etanol y aguardiente a partir de miel final, de dos ...destilerías cubanas: Héctor Molina y San José. Se determinaron parámetros de importancia para evaluarla calidad de las mismas, como son demanda biológica de oxígeno (DBO5), demanda química de oxígeno (DQO), potasio, hierro, coliformes totales y termotolerantes, entre otros. Las destilerías Héctor Molina y San José presentaron similitud en cuanto a: pH, DBO5 y DQO. La valoración estadística que se realizó arrojó que existen diferencias significativas entre las variables DBO5, DQO, NO3-, PO43-, SO42-, Mg2+, Na+, K+, Ag, Ba, Mn, Ni, Cr, Ca y sólidos sedimentables. Además se comparó con la Norma Cubana 27:2012, encontrándose que las variables: DBO5, DQO, conductividad eléctrica, pH y temperatura no cumplen con los límites máximos permisibles reportados por esta.
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