Optimal design and flexibility assessment of intensified solutions for biorefinery downstream processing : the DWC case study

This M.Sc. thesis work deals with the steady-state simulation of Acetone-Ethanol-Butanol (ABE) process downstream separation plant through the Divided Wall Column (DWC). This study is carried out in collaboration with the SUPER ( SUstainable Process Engineering Research) group of Department of Chemistry, Material, and Chemical Engineering “Giulio Natta” of Politecnico of Milan, to continue the work of Ing. A. Di Pretoro in his publication “Flexibility Assessment of a Biorefinery Distillation Train: Optimal Design under Uncertain Conditions”. Until the first half of the 2oth century, the ABE fermentation to obtain biobutanol is the most spread industrial-scale fermentation process, then with the rising of oil and petrol, the alcoholic fermentation was progressively abandoned due to its low competitiveness. In the last 20 years, there has been an increasing interest in the production of energy from renewable sources, because of the growth of global warming and climate change, the increase of oil price and the existing legislation restricting the use of non-renewable energy sources. The use of DWC instead of the classic fermentation process, or train of columns, studied in the aforementioned article, allows obtaining butanol from ABE mixture with only one unit operation. In this thesis, there are two principal different parts. The first concern the optimization in terms of cost and emission of CO2 of the case study in nominal condition. In the second part, flexibility assessment and optimization, varying the feed, are studied. Finally, for both parts, a comparison with the indirect train of columns is doing to test which configuration is the most convenient in terms of cost, emission, and flexibility. 

La presente tesi si occupa della simulazione in stazionario di un impianto di separazione a valle del processo Acetone-Butanolo-Etanolo (ABE) attraverso l’utilizzo di una Dvided Wall Column (DWC). Questo studio è in collaborazione con il gruppo SUPER (SUsteinable Process Engineering Research) del dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “Giulio Natta” del Politecnico di Milano, per continuare il lavoro dell’ingegner Di Pretoro nell’articolo “Flexibility Assessment of a Biorefinery Distillation Train: Optimal Design under Uncertain Conditions” Fino alla prima metà del 20mo secolo, la fermentazione dell’ABE al fine di ottenere biobutanolo era il processo di fermentazione più diffuso in scala industriale, con il sorgere del petrolio e delle benzine, la fermentazione alcolica è stata progressivamente abbandonata a causa della sua bassa competitività. Negli ultimi vent’anni, l’interesse nella produzione di energia da risorse rinnovabili è rinato a causa dell’aumento del riscaldamento globale e del cambiamento climatico, al prezzo del petrolio sempre in aumento e alla presenza di leggi che limitano l’utilizzo di energia da fonti non rinnovabili. La DWC in sostituzione del classico processo di fermentazione, o del treno di colonne, analizzato nell’articolo precedentemente citato, permette di ottenere biobutanolo dalla miscela ABE, con un'unica unità operativa. Questa tesi si compone di due parti principali. La prima ha lo scopo di ottimizzare in termini di costi e emissioni di CO2 il case-study in condizioni nominali. Nella seconda parte è stata fatta una valutazione della flessibilità variando il feed, con conseguente ottimizzazione. Infine, entrambe le analisi sono state confrontate con il treno indiretto di colonne, per analizzare quale configurazione sia più conveniente da un punto di vista economico, di flessibilità ed emissioni.