Molecular tracking : a novel approach for multicomponent distillation column design

The early stage design of side-draw distillation units has always been a challenging task both for academic and industrial practitioners due to a lack of simple and reliable methods to determine the side-draw location corresponding to the minimum energy demand of the system. Existing methods are based on trial and error or complex mathematical optimization, which mostly become sophisticating and tedious and often also require a validated simulation of the unit. In this work, a novel, simple framework, similar in concept to conventional methods is proposed to design side-draw distillation units with infinite dilution of impurities of middle boiling component using the concept of molecular tracking. This concept is based on a probability function highly correlated to thermodynamic properties of the system, which evaluates that how probable is for a single molecule of a component in the mixture moving upward/downward on each stage in the unit. A systematic framework is developed to find the corresponding location of side-draw on a column. First, a binary distillation is designed for the key components in the mixture using driving force-based method well-known as an energy efficient approach. Since driving force-based method forces the column to operate at maximum driving force, the “column only” requires the minimum energy exchange for operation. An in detail illustration of which is discussed in this study. Then, the impurity is introduced in the feed as the middle boiling component and the probability profile of such impurity is generated based on the thermodynamic properties of this component and molar flows of the column. Thereafter, the side-draw is located on a tray, in which the molecules of the impurity prefer to stay, instead of moving either upward or downward. The concept of molecular tracking and driving force are both followed by simple examples to represent their functionalities. Moreover, two side-draw distillation units are designed for the two case studies of ideal ternary mixtures with molecular tracking framework. In order to compare molecular tracking with other existing methods, the side-draw location of each case is also found by classical driving force-based method. The configurations of each method are compared to each other in terms of reboiler duties. The configuration designed by molecular tracking represents lower energy required for the reboiler of the column, which directly affects operating costs of the separation task. At the end of the work, an uncertainty analysis on relative volatility miscalculation and an economic evaluation of the possible design alternatives of side-draw distillation for the two case studies are carried out. The uncertainty analysis illustrates that the framework developed by the author is capable of proposing the same result even with an uncertainty in system’s thermodynamics in terms of relative volatility. Moreover, the side-draw distillation is economically more suitable for an ideal ternary mixture with trace amounts of middle boiling component.

La progettazione iniziale di unità di distillazione con prelievo laterale, anche detto “side-draw”, è sempre stata un compito impegnativo sia per i professionisti accademici che per quelli industriali a causa della mancanza di metodi semplici e affidabili per determinare il posizionamento del “side-draw” corrispondente alla minima richiesta di energia del sistema. I metodi esistenti si basano su metodiche “trial and error” o su complesse e sofisticate ottimizzazioni, che spesso richiedono anche una validazione industriale dell'unità. In questo contesto pertanto si propone l’utilizzo della metodologia del tracciamento molecolare, strumento semplice e innovativo che permette di progettare unità di distillazione con estrazione laterale che presentano diluizione infinita del componente medio-bollente considerato come impurità. Questo concetto utilizza proprietà termodinamiche del sistema per determinare una funzione che valuta la probabilità che, per ogni stadio dell’unità, una singola molecola di un componente di una miscela si muova verso l’alto o verso il basso dell’unità stessa. Viene quindi sviluppato un framework per trovare la posizione corrispondente del side-draw sulla colonna. In primo luogo viene simulata una distillazione binaria per i componenti principali della miscela attraverso il metodo della forza motrice (driving force method), anche noto come approccio di efficienza energetica. Poiché tale approccio costringe la colonna a funzionare secondo la sua massima forza motrice, la sola colonna richiede il minimo scambio di energia per il funzionamento. Una dettagliata illustrazione di questa tematica è discussa in questo studio. L'impurità viene quindi introdotta nel feed come componente di ebollizione intermedio e il profilo di probabilità di tale impurità viene generato in base alle proprietà termodinamiche di questo componente e ai flussi molari della colonna. Il prelievo laterale ottimale è quindi posto su un piatto in cui le molecole considerate come impurità tendono a rimanere, invece di spostarsi verso l'alto o verso il basso. I concetti di tracciamento molecolare e forza motrice sono entrambi seguiti da semplici esempi per rappresentare le loro funzionalità. Inoltre, due unità di distillazione a estrazione laterale sono progettate per i due casi studio di miscele ternarie ideali con struttura di tracciamento molecolare. Al fine di confrontare il metodo del tracciamento molecolare con altri metodi esistenti, la posizione del prelievo laterale viene trovata anche con il metodo basato sulla forza motrice classica. Le configurazioni di ciascun metodo sono confrontate tra loro in termini di funzioni di ribollimento. La configurazione progettata dal tracciamento molecolare rappresenta la minore energia richiesta per il ribollitore della colonna, elemento che influisce direttamente sui costi operativi dell'attività di separazione. Alla fine del progetto vengono condotte un'analisi di incertezza sull'errore di calcolo relativo alla volatilità e una valutazione economica delle possibili alternative progettuali di colonne di distillazione con prelievo laterale per i due casi studio. L'analisi mostra come il framework sviluppato dall'autore sia in grado di proporre lo stesso risultato anche con un'incertezza nella termodinamica del sistema in termini di relativa volatilità delle molecole. Da ultimo, la distillazione a prelievo laterale risulta economicamente più adatta per una miscela ternaria ideale con tracce di componente medio bollente.