Molecular tracking for divided wall distillation column design

The thesis begins with the analysis of the issue of energy savings in chemical processes and a divided wall column (DWC) is proposed as a feasible option to reduce consumption. The design operations of divided wall distillation columns have always been demanding both for academic and industrial professionals due to a lack of reliable and straightforward methodology. The technology is quite versatile and it is difficult to develop a standard procedure for designing these units. Its industrial implementation is not typical due to the complexity of design and simulation operations. Currently, the optimal design of DWC requires trial and error methodologies and rigorous mathematical procedures of formulation and optimization, which usually imply a process simulator to validate the results. Consequently, these procedures prove to be extremely time-consuming due to the complexity of the problems. In this thesis, the concept of molecular tracking has been integrated with conventional methods to develop an innovative and quick methodology for designing divided wall columns for multicomponent distillations. Molecular tracking is a simple approach to locate a side-draw tray for multicomponent mixtures with middle boiling component(s). The configuration obtained by using molecular tracking determines a lower energetic requirement for the reboiler of the DWC, which directly impacts the OPEX of the system. Moreover, the methodology proposed has been applied to six different mixtures. Then, the resulting configurations of the procedure have been compared to the corresponding configurations from literature, obtained through optimization methods, on the basis of the total annual cost. Eventually, a sensitivity analysis has been performed to study the effects of the variation of the structural parameters of the divided wall column.

La tesi inizia con l'analisi del problema del risparmio energetico nei processi chimici e propone la divided wall colum (DWC) come possibile soluzione per diminuire i consumi. Le operazioni di progettazione delle divided wall columns sono sempre state impegnative sia per i professionisti accademici che per quelli industriali a causa della mancanza di metodi semplici e affidabili. La tecnologia è abbastanza versatile ed è difficile sviluppare una procedura standard per la progettazione di queste unità. La sua implementazione a livello industriale non è particolarmente comune a causa della complessità nella progettazione e simulazione. Attualmente, la progettazione di DWC richiede metodologie per trial and error e rigorose procedure matematiche di formulazione e ottimizzazione che solitamente implicano un simulatore di processo per convalidare i risultati. Di conseguenza, queste procedure si rivelano estremamente dispendiose in termini di tempo a causa della complessità dei problemi. In questa tesi, il concetto di molecular tracking (MT) è stato integrato ai metodi convenzionali per sviluppare una metodologia innovativa e veloce per la progettazione di divided wall columns per distillazioni multicomponenti. Molecular tracking è un approccio semplice per individuare il piatto per il prelievo intermedio in colonne di distillazione multicomponenti. La configurazione ottenuta utilizzando molecular tracking fornisce una minore richiesta energetica per il ribollitore della colonna, il quale influisce direttamente sui costi operativi del sistema. La metodologia proposta è stata applicata a sei diverse miscele e le configurazioni risultanti sono state confrontate con le configurazioni corrispondenti dalla letteratura, ottenute per mezzo di metodi di ottimizzazione, sulla base dei costi totali annui. Al termine della tesi è stata eseguita un'analisi di sensitività per studiare gli effetti della variazione dei parametri strutturali della divided wall column.