Design, simulation and optimization of an azeotropic distillation section for biorefinery processes

Renewable and sustainable fuels attract attention as oil substitutes due to their potential to impact positively the environmental challenges of our planet. In this context, the concept of Biorefinery was developed, in analogy to today’s petroleum refineries, to produce chemicals and fuels starting from biomass as raw material. Among the potential products of interest, Butanol stands out particularly because of its characteristics, that classify it as a “drop-in” fuel, with significant advantages over bioethanol. Biobutanol can be produced from the ABE fermentation process, after which it must be separated and purified. The present MSc. thesis investigates the design and optimization of an azeotropic distillation section to separate the mixture of water and butanol, that is generated from the separation plant of ABE. This additional process allows to increase the recovery of butanol, that is the most valuable of the fermentation products. The work presents a brief investigation of the distillation operation, as well as the thermodynamics of vapor-liquid equilibrium and of azeotropes. Then, a process to separate water and butanol mixture, a heterogeneous maximum-boiling azeotrope, is devised, exploiting the phase separation and liquid-liquid equilibrium that is established. The process is validated by means of steady-state simulation using two different commercial simulators. Results in terms of energy requirement are investigated, varying butanol concentration on the feed stream and the activity coefficient models for calculation. When compared to literature, the proposed models provide coherent results, allowing the optimization by means of a sensitivity analysis of relevant variables. The results pointed out to the best design alternative that would generate the lowest energy requirement. The optimized design is then detailed in terms of control scheme for the investigation using pressure-driven simulations. The results generated additional changes in the design to cope with the process dynamics. Finally, a preliminary cost estimation of installation and operation of the process is provided.

Negli ultimi anni le fonti di energia rinnovabile stanno attirando molta attenzione come sostituti del petrolio grazie al loro impatto positivo in merito alle sfide ambientali del pianeta. In questo contesto, si è sviluppato il concetto di bioraffineria, in analogia alle raffinerie di petrolio, per produrre prodotti chimici e combustibili a partire dalla biomassa. Tra i potenziali prodotti, spicca particolarmente il biobutanolo grazie alle sue caratteristiche che lo classificano come combustibile “drop-in”, con notevoli vantaggi rispetto al bioetanolo. Il biobutanolo può essere prodotto dal processo di fermentazione ABE, dopo il quale deve essere separato e purificato. La presente tesi indaga la progettazione e l’ottimizzazione di una sezione di distillazione azeotropica per separare la miscela di acqua e butanolo, generata dall’impianto di separazione di ABE. Questo processo aggiuntivo consente di aumentare il recupero del butanolo, che è il più prezioso dei prodotti di fermentazione. Il lavoro presenta una breve indagine sull’operazione di distillazione, nonché sulla termodinamica dell’equilibrio liquido-vapore e degli azeotropi. È stato quindi ideato un processo per separare acqua e butanolo, miscela che presenta un azeotropo eterogeneo di massima, sfruttando la separazione di fase e l’equilibrio liquidoliquido si stabilisce. Il processo viene convalidato mediante simulazione stazionaria utilizzando due diversi simulatori commerciali. Sono stati dunque studiati i risultati ottenuti in termini di fabbisogno energetico, variando la concentrazione di butanolo nella alimentazione ed i modelli di coefficiente di attività. Rispetto alla letteratura, i modelli proposti consentono l’ottenimento di risultati coerenti con le prestazioni attese dal processo, permettendo così l’ottimizzazione mediante un’analisi di sensitività delle variabili più rilevanti. I risultati hanno indicato la migliore alternativa di progetto che fornisce il più basso consumo di energia. Il progetto ottimizzato viene quindi dettagliato in termini di controllo per l’indagine utilizzando simulazioni basate sulle perdite di carico. I risultati hanno generato quindi ulteriori cambiamenti nel design per adeguarlo alle dinamiche di processo. Infine, viene fornita una stima approssimativa dei costi di installazione e funzionamento del processo.