Dynamic simulation and plantwide control of an ABE/W separation plant

This M.Sc. thesis deals with the dynamic simulation and plantwide control of an acetone-butanol-ethanol (ABE) process downstream separation plant with the aim of validating the previous M.Sc. thesis work by A. Boffa “La fermentazione acetone-butanolo-etanolo. Analisi e ottimizzazione dello schema di purificazione.”, both in collaboration with the SUPER (SUstainable Process Engineering Research) group. The thesis enters the activities of the Green Chemistry National Cluster and specifically it relates to the Task 5.3 of the LIDIA (LIgnocellulosic DIcarbissilic Acids) Project. The ABE fermentation was the most spread industrial scale fermentation process during the first half of the 20th century but it has been progressively abandoned because of the low competitiveness of alcoholic fermentation processes with respect to the rising oil and petrochemical industry. During last 15 years anyway there has been an increasing interest for the production of chemicals and fuels from renewable resources because of growing concerns about global warming and climatic change, increasing crude oil price and existing legislations restricting the use of nonrenewable energy sources. Further, the generation of biofuels contributes to the reduction of CO2 emissions . This thesis work can be divided into three parts. The first one concerns the degrees of freedom analysis of the plant subsections in order to know the number of specifications needed and of variables to be controlled. The second part is about the plantwide control layouts; several configurations have been tested and the most stable and effective has been chosen and shown. Finally, the third and most relevant part is relative to the dynamic simulation of plant subsections. Startup and shutdown procedures have been defined and steady state results have been reported. Then, the study of control loops responses to the most likely perturbations have been performed in order to test the selected control layout stability and evaluate how they influence the system separation performances.

La presente tesi si occupa della simulazione dinamica e del controllo di un impianto di separazione a valle del processo di fermentazione acetone-butanolo-etanolo (ABE) al fine di convalidare il precedente lavoro di tesi “La fermentazione acetone-butanolo-etanolo. Analisi e ottimizzazione dello schema di purificazione.” svolta da A. Boffa, entrambe svolte in collaborazione con il gruppo SUPER (SUstainable Process Engineering Research). La presente tesi rientra nelle attività del Green Chemistry National Cluster e nello specifico è relativa al Task 5.3 del progetto LIDIA (LIgnocellulosic DIcarbossilic Acids). Il processo di fermentazione ABE è stato il processo di fermentazione più diffuso in scala industriale durante la prima metà del ‘900 ma è stato progressivamente abbandonato per la scarsa competitività dei processi di fermentazione alcolica rispetto alle emergenti industrie petrolifera e petrolchimica. Durante gli ultimi 15 anni tuttavia è cresciuto l’interesse per la produzione di chemicals e combustibili da risorse rinnovabili dovuto alle crescenti preoccupazioni circa il riscaldamento globale e il cambiamento climatico, al prezzo crescente del greggio ed alle leggi restrittive circa l’uso di fonti energetiche non rinnovabili. Inoltre, la produzione di biocarburanti contribuisce alla riduzione delle emissioni di CO2. Il presente lavoro consiste di tre parti. La prima si occupa dell’analisi dei gradi di libertà delle sottosezioni dell’impianto al fine di identificare il numero di specifiche necessarie e di variabili da controllare. La seconda parte riguarda il layout di controllo dell’impianto; diverse soluzioni sono state testate e la più stabile ed efficace è stata scelta e mostrata. Infine, la terza e più sostanziale parte si riferisce alla simulazione dinamica delle varie sottosezioni dell'impianto. Le procedure di startup e shutdown sono state definite ed i risultati dello stazionario sono stati riportati. È stato quindi condotto lo studio della risposta dei loop di controllo ai disturbi più plausibili al fine di testare la stabilità della configurazione scelta e di valutare come tali perturbazioni incidono sulle prestazioni del sistema di separazione.