Separation of ABE/W, conceptual design and dynamic validation

Butanol, an important commodity used mainly in the blending of fuels to reduce their environmental impact, can be obtained at industrial scale by the fermentation of biomass. The microbiological action of Clostridium strains convert carbon substrates into acetone, butanol and ethanol, this process is known as ABE fermentation. However, the ABE fermentation lays ahead an signi cant challenge for the broth puri cation. Several approaches including integration of di erent technologies such as gas stripping or membrane separation are being studied with the aim of providing alternative to the classical methods used in the industry i.e. distillation and liquid-liquid extraction. In this thesis work, the conceptual design of a classical ABE/W separation plant is evaluated in a rst stage with a stationary simulation, then, the second stage consists in validating the design with a dynamic simulation, this validation is necessary due the wide range of operation conditions found during the di erent transitions state of the process. The operation of a plant must be exible at some extent and these non-steady conditions must be taken into account for the detailed design of the units. By means of the aforementioned mutual validation among the stationary and dynamic simulation, an optimal conceptual design from the economic point of view is obtained. Furthermore, equipment dimensioning and controllers tuning is carried out, as a nal goal, the description and implementation of the optimized sequences of operation (SOO) for start-up, process shutdown (PSD) and emergency shutdown (ESD) of the plant is provided.

Butanolo, un importante prodotto utilizzato principalmente nella miscelazione di carburanti per ridurre il loro impatto ambientale, pu o essere ottenuto su scala industriale dalla fermentazione della biomassa. L'azione microbiologica dei ceppi di Clostridium converte i substrati di carbonio in acetona, butanolo ed etanolo, questo processo e noto come fermentazione ABE. Tuttavia, la fermentazione ABE pone una s da signi cativa per la puri cazione del suo brodo. Diversi approcci tra cui l'integrazione di diverse tecnologie come strippaggio di gas o separazione di membrane sono allo studio con l'obiettivo di fornire un'alternativa ai metodi classici utilizzati nell'industria, vale a dire distillazione ed estrazione liquido-liquido. In questa tesi, la progettazione concettuale di un classico impianto di separazione ABE/W viene valutata in una prima fase con una simulazione stazionaria, poi, la seconda fase consiste nella convalida della progettazione con una simulazione dinamica, questa convalida e necessaria a causa dell'ampia gamma delle condizioni operative rilevate durante le diverse transizioni dello stato del processo. Il funzionamento di un impianto deve essere essibile no a certo punto e queste condizioni non costanti devono essere tenute in considerazione per la progettazione dettagliata delle unit a. Per mezzo della summenzionata validazione reciproca tra la simulazione stazionaria e dinamica, si ottiene una progettazione concettuale ottimale dal punto di vista economico. Inoltre, viene eseguito il dimensionamento delle apparecchiature e la messa a punto dei controller, come obiettivo nale, viene fornita la descrizione e l'implementazione delle sequenze ottimizzate di funzionamento (SOO) per l'avvio, l'arresto del processo (PSD) e l'arresto di emergenza (ESD) dell'impianto.