A Study on Empirical and Mechanistic Approaches for Modelling Cane Sugar Crystallization

Abstract

This study presents the kinetic modelling for cane sugar batch crystallization. The study is based on two approaches to describe the nucleation (homogeneous primary and secondary) and growth kinetics, and the birth and death rates of crystals: a) empirical models with equations of type power law (TPL) and b) mechanistic approach with thermodynamic equations. Both approaches, describing the phenomena of crystallization at the microscopic level (by solving population balance equation by method of lines), were validated using experimental data from a pilot-scale plant. From the results of both approaches and experimental validation, we conclude that the mechanistic approach best represents the dynamic behavior of cane sugar batch crystallization under different operational conditions than the empirical approach (TPL). Keywords: crystallization, modelling, kinetics, mechanistic and empirical approaches. ResumenEste estudio presenta el modelado cinético para la cristalización por lotes de azúcar de caña. El estudio se basa en dos enfoques para describir las cinéticas de nucleación (primaria homogénea y secundaria), de crecimiento y las tasas de nacimiento y muerte de cristales: a) modelos empíricos con ecuaciones de tipo ley de potencias (TLP) y b) enfoque mecanístico con ecuaciones termodinámicas. Ambos enfoques describen los fenómenos de cristalización a nivel microscópico (con la solución del balance de población por método de líneas) y fueron validados usando datos experimentales provenientes de una planta escala piloto. De los resultados de ambos enfoques y la validación experimental, se concluye que el enfoque mecanístico representa mejor los comportamientos dinámicos de la cristalización por lotes de azúcar de caña bajo diferentes condiciones operativas con respecto al enfoque empírico (TLP). Palabras clave: cristalización, modelado, enfoque mecanístico y empírico.