Design and control of alternative triple-column pressure swing distillation processes for acetone-methanol-hexane separation
Aseton-metanol-hekzan karışımının ayrılması için alternatif, üç kolonlu basınç salınımlı distilasyon prosesi tasarlanması ve kontrolü
- Tez No: 664564
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DEVRİM BARIŞ KAYMAK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 105
Özet
Azeotropların ayrımı klasik sıvı-buhar dengesi kullanılarak mümkün olmadığından zorlu bir işlemdir. Literatürde ikili azeotropların ayrılması işlemi deneysel olarak ve proses tasarımı açısından uzun süredir çalışılmakta olup az sayıda proses kontrol çalışması 90'lı yıllardan beri yayınlanmıştır. 2017'den beri literatürde ilgili üçlü azeotropların ayrılmasına kaymıştır. Aseton, metanol ve hekzan karışımı üç tane ikili ve bir tane üçlü pozitif, homojen azeotrop oluşturur ve endüstride çözücü, ekstraksiyon ajanı ve temizlik amaçlı kullanılır. Üç tane ikili ve bir tane üçlü azeotrop oluşturan karışımların ayrılmasında literatürde az sayıda yatışkın tasarım çalışması bulunmakla beraber herhangi bir dinamik kontrol çalışması bilgimiz dahilinde mevcut değildir. Bu sebeple bu çalışma söz konusu sınıftaki azeotropların ayrılmasının dinamik kontrolünün çalışıldığı ilk çalışmadır. Bu çalışmada iki alternatif Basınç Salınımlı Distilasyon prosesi Aspen Plus kullanılarak tasarlanmıştır. Proses tasarımı öncesinde kütle denkliği üçlü diyagramlar üzerinde yapılmıştır. Reflüks oranı değişken olarak belirlenip, değiştirilerek ürün saflıkları istenen noktada tutulmaktadır. Dip ürün akış miktarları ise sabitlenmiştir. İlk konfigürasyonda, molce %99.9 saflıkta aseton, metanol ve hekzan (A-M-H) sırasıyla 5, 1 ve 5 bar basınçta çalışan kolonlardan dip ürünü olarak çekilmektedir. Alternatif konfigürasyonda ise, molce %99.9 saflıkta metanol, aseton ve hekzan (M-A-H) sırasıyla 0.5, 1 ve 5 bar basınçta çalışan kolonlardan dip ürünü olarak çekilmektedir. Her iki proses için de toplam yıllık maliyet değerlendirilmiş ve seçilen yatışkın hal durumları için fabrika ölçekli kontrol yapıları tasarlanmıştır. Yıllık maliyetlerin değerlendirilmesinde iteratif bir metod kullanılmış, seçilen proses değişkenleri tek tek değiştirilerek ekonomik olarak lokal minimum nokta aranmıştır. Her değişken değiştirilirken diğerlerinin tamamı sabit tutulmuş ve işlem tüm değişkenler için yinelenmiştir. Lokal minimum yıllık maliyet A-M-H prosesi için 6,947,319$ olarak hesaplanmıştır. Prosese bütüncül ısı entegrasyonu uygulanmasıyla, prosesin enerji kullanımını düşürülmüş ve toplam yıllık maliyet %14.8 oranında azaltılmıştır. M-A-H prosesinin lokal minimum yıllık maliyeti 4,992,135$ olarak hesaplanmıştır ve bu maliyet ısı entegrasyonu uygulanmasıyla %12.2 azaltılmıştır. Bu durumda ısıl entegrasyonun prosesin maliyetini azaltıcı etkisi olduğu ve M-A-H konfigürasyonunun A-M-H konfigürasyonuna göre daha düşük maliyetle çalıştığı görülmüştür. Aspen Plus'ta tasarlanan yatışkın proseslerin seviye kontrolünün sağlanabilmesi için boyutlandırmaları yapıldıktan sonra proses kontrol yapılarının tasarlanması için Aspen Dynamics'e modeller taşınmıştır. Kontrolcüler eklenmeden önce proses dinamik olarak bir süre çalıştırılmış ve değişkenlerin sabit kaldığı kontrol edilmiştir. Böylece prosesin yatışkın olduğu ve kütle denkliğinde herhangi bir problem olmadığı teyit edilmiştir. Ardından birden çok tek girdili ve tek çıktılı kontrol döngüsü prosese eklenmiştir. Başlangıçta tüm vanalar %50 açıklıkta tasarlanmıştır. Üç kolonlu bir sistem için serbestlik derecesi 16'dır. Basınç kontrolörleri Aspen Dynamics tarafından otomatik olarak oluşturulmakta ve kontrol parametre ayarlamaları yapılmış olarak gelmektedir. Sistemde kontrol edilmesi gereken envanterler, üç adet kolonun seviyeleri ve üç adet reflüks dramının seviyeleridir. Bunların seviye kontrolcüleri oransal kontrolcüler olarak seçilmiştir. Akış kontrollerinde ise oransal ve integral kontrolcüler tercih edilmiştir. Bu kontrolcülerin kazanç ve integral zaman değerleri literatürdeki pratik kurallar kabullenilerek seçilmiştir. Ürün kalite kontrollerinde ise Auto Tune Variation (ATV) test metodu kullanılarak proses kontrol parametrelerinin değerleri bulunmuştur. Çalışılan kontrol yapıları reflüksün sabit akışta olduğu ve kolon şarjı ile oransal olarak kontrol edildiği durumlarda, çıkarımsal sıcaklık kontrolcüleri ve kompozisyon-sıcaklık kaskat kontrolcüleri içermektedir. Kolonda hangi tepsinin sıcaklığının kontrol edileceğine karar verilirken tüm kolonun sıcaklık profili çıkarılmış ve tepsiler arası en yüksek sıcaklık değişiminin olduğu nokta kontrol edilmek üzere seçilmiştir. Sıcaklık kontrolcüsünün manipule ettiği değişken, kolon dibindeki ısı değiştiricinin ısıl yüküdür. Isıl entegrasyonun yapıldığı durumlarda ise kolon dibi ısı değiştirici ve kolon tepesi kondenser ortak bir ısı değiştiriciyi kulandığından, sıcaklık kontrolü için manipule edilen değişken reflüks akış miktarı olarak belirlenmiştir. Isıl entegrasyonda kondenseri olmayan kolonda ise basınç kontrolü direkt olarak yapılamadığından, basınç ile kompanse edilmiş sıcaklık kontrolü yapılarak, basınç değişimleri de kontrol edilebilmiştir. Tüm kontrol yapıları kolon şarjı ve kolon şarj kompozisyonunda bozanetkilerle karşılaştırılmış ve bunlara verdikleri dinamik cevaplar incelenmiştir. A-M-H konfigürasyonunda dört farklı kontrol yapısı değerlendirilmiştir. Bu konfigürasyonun tüm kontrolcüleri temel katmanda etkili bir düzenleyici kontrol yapıp, kabul edilebilir kompozisyon ofsetleri vermektedir. Reflüksün şarja oransal olarak kontrol edildiği yapıda, sabit reflüks akımının kullanıldığı kontrol yapısına kıyasla kontrolde küçük bir iyileşme görülmüştür. Kaskat kontrolde hiç ofset olmamasına rağmen prosesin yatışkın hale gelebilmesi için kontrolcünün tepkisi yaklaşık iki kat daha uzun sürmektedir. Bu durumda kabul edilebilir bir ofset verdiği ve daha hızlı kontrol sağladığı için çıkarımsal sıcaklık ve oransal reflüksün beraber kullanıldığı konfigürasyon daha iyi kontrol sağlayan konfigürasyon olarak belirlenmiştir. M-A-H konfigürasyonunda ise üç farklı kontrol yapısı değerlendirilmiştir. Kolon şarjı bozanetkeni karşısında iyi bir dinamik cavap alınmakla beraber, proses yatışkın hale geçtikten sonra çok hafif de olsa ürün saflıklarında değişim devam etmiştir. Bir tane kompozisyon bozanetkenine karşı M-A-H konfigürasyonu, yalnızca aseton kompozisyonunda yüksek ofset vermiştir. Bu iki sorun da ısı entegrasyonu uygulandığında çözülmüş ve bozanetkenlere karşı da gürbüz bir kontrol sağlanmıştır. Bu çalışmada toplamda iki yatışkın proses, bu proseslerin bütüncül ısıl entegrasyonları ve yedi kontrol yapısı tasarlanmıştır. Bunların maliyetleri ve dinamik cevapları değerlendirilmiş ve kıyaslanmıştır. Düşük toplam yıllık maliyeti ve gürbüz kontrolü sebebiyle ısıl entegrasyonlu M-A-H prosesi en uygulanabilir proses olarak belirlenmiştir. Sonuç olarak; üç tane ikili ve bir tane üçlü azeotrop içeren karışımlarda iki farklı konfigürasyonda üç kolonlu Basınç Salınımlı Distilasyon prosesi ile ayırma işleminin yapılabileceği ve ısı entegrasyon ile maliyetin düşürülebileceği gösterilmiştir. Üstelik bu sistemler birçok farklı kontrol yapısı ile gürbüz bir şekilde kontrol edilebilmektedir.
Özet (Çeviri)
The mixture of acetone, methanol and hexane is used in the industry as a solvent, an extraction agent and for cleaning purposes. This mixture has three binary and one ternary minimum boiling homogeneous azeotropes. To our knowledge, steady-state design studies for separation of mixtures forming three binary and one ternary azeotropes are very rare, and there is no dynamic control study in the literature. In this study, two alternative Pressure Swing Distillation (PSD) processes are designed in Aspen Plus. In the first configuration, acetone, methanol and hexane (A-M-H) are drawn as products with 99.9 mole % purity from the bottoms of columns operating at 5, 1 and 5 bar, respectively. In the alternative configuration, methanol, acetone and hexane (M-A-H) are drawn from the bottoms of columns operating 0.5, 1 and 5 bar, respectively, with a 99.9 mole % product purity. For both processes, the total annual cost (TAC) is evaluated, and plantwide control structures are designed for the selected steady-state cases. The local minimum annual cost of the A-M-H process is calculated to be 6,947,319$. Applying total heat-integration, the energy usage of the process is lowered, and TAC is reduced by 14.8%. The local minimum total annual cost of M-A-H process is calculated to be 4,992,135$, and reduced by 12.2% after applying heat integration. The control structures studied here include inferential temperature controllers and composition-temperature cascade controllers with constant reflux flowrate or reflux ratio control. All of the controllers for A-M-H configuration show an effective base-level regulatory control with acceptable offsets in compositions. For M-A-H configuration, the response against one composition disturbance is problematic as offset is large for acetone composition only. However, this problem is fixed for the heat integration of the same case as composition disturbance can be controlled robustly when the process is heat-integrated. Due to the lowest TAC and robust control, the heat-integrated M-A-H process is considered as the most feasible option. This work hereby demonstrates that a ternary mixture, which forms three binary azeotropes and one ternary azeotrope, can be separated using two different triple-column PSD processes and both these processes can be heat-integrated; further reducing the TAC. Furthermore, these systems can be controlled robustly using several decentralized control structures.
Benzer Tezler
- Pilot ölçekli ekstraksiyon-distilasyon kolonu kombinasyonu ile gallik asit eşdeğeri polifenol üretimi tesisi tasarımı
Design of gallic acid equivalent polyphenol production plant with pilot scale extraction-distillation combination
GÖZDE ERKAÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Kimya MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SİBEL YİĞİTARSLAN
- Development of fast and economic QPCR-based method for meat species detection
Hızlı ve ekonomik et tür tayini için QPCR tabanlı bir yöntem geliştirilmesi
EDA ÇİFTÇİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Genetikİstanbul Teknik ÜniversitesiBiyoloji Bölümü
DOÇ. DR. GİZEM DİNLER DOĞANAY
DR. MUSTAFA KOLUKIRIK
- Design and development of an FPGA controlled silicon pin photodiode detector array for neutron detection
Nötron deteksiyonu için FPGA kontrollü silikon pın fotodiyot detektör dizisi tasarım ve geliştirilmesi
AHMET BAYRAK
Doktora
İngilizce
2019
Nükleer Mühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENAP ŞAHABETTİN ÖZBEN
- Eskişehir iklim koşullarında ofis binaları için ısıtma soğutma enerji performansının yapı kabuğundaki yönlenme, saydamlık oranı ve cam türü açısından irdelenmesi
Analysys of the heating and cooling energy performance at building envelope in terms of orientation, window wall ratio and glass type for office building in Eskisehir climate condidation
HAKAN ÜNALAN
- Mimarlıkta ifade ve içerik problemi
The problem of expression and content in architecture
ÖNDER ÇELİK
Doktora
Türkçe
2020
Felsefeİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEMRA AYDINLI
PROF. DR. ALİ AKAY