Dehydration of alcohol mixtures through highly energy-efficient separation processes

According to ongoing regulations the need to identify green and economical production roots for fuels is of paramount importance. Hence, this thesis concentrates on determining a way of reducing the costs and the environmental impact of the downstream processing of a mixture of biofuels, obtained from glycerin. Although azeotropic mixtures have, up to now, been treated with extractive or azeotropic distillation, this thesis focuses on the analysis of an innovative separation scheme, which introduces considerable savings, and which exploits liquid-liquid extraction combined with distillation to regenerate the solvent. The crucial aspect, with this new technology, is related to the solvent selection, as it must comprise precise features to enable both the extraction and the distillation of pure alcohols. The choice of the solvent is not an easy task as a same solvent may behave differently with each single alcohol. Once the possible entrainers are identified, a sensitivity analysis is carried out, using the Aspen Plus simulation software, to select the optimal design variables of the process. The case study with isobutyraldehyde as a solvent is recognized as the optimal one since it introduces the largest exergy savings. Exergy is adopted as the final comparison mean since it enables direct comparison between different energetic terms and, although the design and the optimization of the processes is only conducted at a preliminary stage, the energetic convenience of the extraction and distillation layout is demonstrated.

Stando alle regolamentazioni attualmente in vigore, vi è urgente necessità di identificare una via sostenibile ed economicamente vantaggiosa per la produzione di biocarburanti. Il lavoro di tesi si concentra sull’individuazione di un processo per la disidratazione di bio-alcoli che sia meno impattante del processo di distillazione estrattiva precedentemente proposto, sia dal punto di vista economico che ambientale. A differenza di ciò che accade nell’industria, dove le separazioni azeotropiche vengono solitamente effettuate sfruttando la distillazione estrattiva o azeotropica, questa tesi si concentra sul processo di estrazione liquido-liquido combinato alla distillazione per la rigenerazione del solvente. L’aspetto cruciale di questa nuova tecnologia è relativo alla scelta del solvente, che deve avere determinate caratteristiche in modo tale da garantire sia l’estrazione che la distillazione di alcoli ad elevato grado di purezza. La selezione è ulteriormente complicata dal fatto che uno stesso solvente può comportarsi in modo differente con ciascun alcol presente. Una volta identificati i possibili solventi, un’analisi di sensitività, svolta tramite il software di simulazione Aspen Plus, ha permesso di comprendere l’impatto delle variabili di design sul processo. Il caso studio con l’isobutirraldeide come solvente è quello che introduce i maggiori risparmi energetici ed è, perciò, stato selezionato come ottimale. Come mezzo di confronto è stata utilizzata l’exergia, che assicura un paragone diretto fra diverse forme energetiche e che ha dimostrato la convenienza del processo di estrazione e distillazione, nonostante il design e l’ottimizzazione siano stati condotti fino ad uno stadio preliminare.