Thermodynamic study of a highly non-ideal solvents mixture and process design for its recovery into valuable products

This thesis work regards the development of a project commissioned by SOLVEKO SpA, a company involved in solvents recovery. The aim is the thermodynamic modeling and the definition of a process for the regeneration of solvents from the waste solutions produced in the chemical and pharmaceutical industrial activities. The main part of the study is related to the thermodynamic investigation of a solvents mixture of ten compounds. The phase equilibrium of the 45 binary mixtures obtained by the ten compounds interaction has been analyzed by employing ASPEN Plus®, using four different models (NRTL, PSRK, RKS and PR). After rejecting the PR and RKS models, the PSRK has been selected as the most suitable method to describe the mixtures behavior after a comparison between VLE analysis results and the experimental data, available for 41 mixtures. Two modifications have been introduced in the PSRK model, the first one concerning the replacement of the Soave relation with the Mathias Copeman one and the second one related to the use of the NRTL model instead of the UNIFAC one for the activity coefficient computation. Hence the regression of the four NRTL binary interaction parameters has been performed using the experimental data available for each pair of species. The model obtained has been validated through a comparison between the results of VLE analysis and the experimental data collected for ternary and quaternary mixtures. Finally, the model has been used to carry out a simulation of a separation section in ASPEN Plus®. A possible configuration has been studied which allows to remove water by the mixture and to obtain a value product and a by-product of solvents with a molar concentration of water equal to 10 ppm and 12%. The process scheme is composed of distillation columns for which the optimal number of trays and feed tray for each column has been selected through a minimization of the total cost, computed as sum of fixed and operative costs.

Questo lavoro di tesi riguarda lo sviluppo di un progetto commissionato da SOLVEKO SpA, una società impegnata nel recupero di solventi. L’obbiettivo è la modellazione termodinamica e la definizione di un processo per la rigenerazione dei solventi dalle soluzioni di scarto prodotte nell’industria chimica e farmaceutica. La parte principale dello studio è stata concentrata sull’analisi termodinamica di una miscela di solventi da dieci componenti. L’equilibrio di fase delle 45 miscele binarie ottenute dall’interazione dei 10 componenti è stato indagato utilizzando ASPEN Plus®, con 4 diversi modelli (NRTL, PSRK, RKS e PR). Dopo aver scartato PR e RKS, in seguito a un confronto tra i risultati delle analisi VLE e i dati sperimentali, disponibili per 41 miscele, il modello PSRK è risultato il più idoneo a descriverne il comportamento. Due modifiche sono state introdotte nel modello, la prima riguardante la sostituzione della relazione di Soave con quella di Mathias Copeman, la seconda relativa all’adozione del modello NRTL al posto dell’UNIFAC per il calcolo del coefficiente di attività. Quindi è stata effettuata una regressione dei parametri di interazione binaria del modello NRTL sulla base dei dati sperimentali raccolti per ogni coppia di componenti. Il modello così ottenuto è stato validato attraverso un confronto tra analisi VLE e i dati sperimentali disponibili per miscele ternarie e quaternarie. Infine il modello è stato usato per effettuare una simulazione della sezione di separazione in ASPEN Plus®. E ‘stata studiata una possibile configurazione che permette di rimuovere acqua e ottenere un prodotto di solventi di valore e un sottoprodotto con una concentrazione molare di acqua di 10 ppm e del 12%. Lo schema di processo è costituito da colonne di distillazione per le quali il numero ottimo di piatti e il piatto ottimo di alimentazione sono stati selezionati attraverso una minimizzazione dei costi totali, calcolati come somma di costi fissi e variabili.