Distillation column : a flexibility study

Throughout history, distillation has been one of the most studied and widespread separation method. Nevertheless, due to its high energy inefficiency and new challenges in biorefinery development, radical changes are still needed to meet the demands of the energy-conscious modern society. In this context, the focus on flexibility could reduce energy overconsumption and improve operational feasibilities. Therefore, after having defined flexibility as the ability of a process to operate feasibly and optimally in the presence of varying and uncertain conditions, two different approaches were studied and a new tray-by-tray optimization model, that involves both economy and flexibility, was developed. A case studied of a simplified debutanizer column inspired from a literature example was rigorously modeled in a C++ programming language, exploiting numerical libraries from BzzMath, and its design was fixed through a standard rigorous economic optimization. Then feasibility constrains, that involve hydraulics, heat exchange and purities, were defined and the three approaches towards flexibility were applied. The first one was already known in literature, together with its role for comparing different configurations: once the set of uncertainties and their maximum expected deviations are fixed by the decision maker, this method links operative costs to an adimensional Flexibility Index and, in addition, it can be used to highlight both bottlenecks and operability ranges. The second one was developed in this work, combining both Goal Programming and Linear Scalarization: uncertainties are reduced to flowrates and the Multi Objective Optimization deals both with the maximization of the operability region and the minimization of the difference between the average profits at extreme conditions and the nominal one. Finally, a new flexibility contribute was implemented in a standard designing model. The result, gained through a rigorous MINLP optimization and with no oversizing factors, confirms both theoretical knowledge and common experience, increasing the number of tray leads to more flexibility, but it highlights also the feasibility limits of the obtained configuration. It would be interesting in the future to apply this new design approach to more complex configurations, as sequence of columns and extractive distillation.

Storicamente la distillazione è stata una delle tecniche di separazione più studiate e diffuse. Nonostante ciò, a causa della sua alta inefficienza energetica e delle nuove sfide nel campo delle bioraffinerie, servono ancora cambiamenti radicali per incontrare le necessità della società odierna, più attenta ai consumi energetici. Quindi in questo lavoro, dopo aver definito la flessibilità come la capacità di un processo di accomodare ottimamente variazioni e incertezze, sono state sviluppati due diversi approcci al suo studio ed è stato definito un nuovo modello di ottimizzazione che ne tenga conto già in fase di progettazione. Successivamente un caso studio di una colonna debutanatrice è stato modellato rigorosamente, usando il linguaggio di programmazione C++ e avvalendosi della libreria numerica BzzMath, e le sue variabili di progetto sono state fissate mediante ottimizzazione economica in base alle condizioni nominali. Una volta definiti anche i vincoli, che comprendono idraulica, scambio termico e specifiche sulla purezza, al caso studio sono state applicate le metodologie precedentemente trattate. La prima era già stata definita in letteratura e applicata al confronto di più processi per evincerne il più flessibile: consiste nello scegliere un insieme di variabili incerte, assieme alle loro massime deviazioni attese, e nell’attribuire un Indice di Flessibilità, correlato ai costi operativi, alla configurazione. In aggiunta sono stati evidenziati anche estremi del processo e possibili costi operativi per ogni valore ammissibile di flessibilità. La seconda è stata invece sviluppata in questo lavoro, combinando Programmazione a Obiettivi assieme a Scalarizzazione Lineare: le incertezze sono ridotte di numero ai flussi molari entranti e l’ottimizzazione multi obbiettivo massimizza i range di operabilità minimizzando la differenza tra profitto medio e profitto nominale. Infine, un nuovo contributo, che sintetizza in modo attivo il concetto di flessibilità, è stato aggiunto alla procedura standard che combina costi operativi e costo del capitale iniziale per l’ottimizzazione del progetto di una colonna. Il risultato, ottenuto tramite ottimizzazione di variabili sia continue che discrete e senza fattori di sovradimensionamento, non solo conferma le aspettative, ovvero che aumentando il numero di piatti si ottiene una maggior flessibilità della colonna, ma definisce anche i limiti del processo. Sarebbe interessante in futuro applicare quest’ultima procedura di progettazione a configurazioni più complesse come treni di colonne o distillazioni estrattive, poichè risultato potrebbe essere non del tutto scontato.