Effect of operating pressure on design and control of extractive distillation process separating DMC-MeOH azeotropic mixture
Dimetil karbonat - metanol azeotropik karışımını ayırmak için artırılmış basınçlı ekstraktif distilasyon prosesinin tasarım ve kontrolü
- Tez No: 736656
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DEVRİM BARIŞ KAYMAK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 93
Özet
Doğaya zararlı kimyasal üreten ve kullanan endüstriyel tesislerinin sayısının hızla artması sonucu, sebep oldukları çevresel tahribatın boyutları da artmaktadır. Bu tahribatı azaltmak için son yıllarda çevre dostu kimyasal hammadde ve proseslere yönelim başlamıştır. Dimetil karbonat (DMC), ekotoksisitesi düşük ve biyolojik olarak parçalanabilen bir kimyasal olması sebebiyle çevre dostu“yeşil”bir kimyasal olarak öne çıkmaktadır. DMC, çevreye zarar vermediği için metilasyon ve karbonilasyon reaksiyonlarında dimetil sülfat, ve fosfatın yerine yaygın olarak kullanılmaktadır. Bunlara ek olarak, şarj edilebilir lityum pillerde sulu olmayan elektrolitler için bir yardımcı çözücü ve içten yanmalı motor yakıtları için uygun ara malzeme olarak da kullanılmaktadır. Halkalı karbonatların metanol (MeOH) ile karşılıklı transesterifikasyonu DMC'nin sentezi için tercih edilen bir yöntemdir. Fakat sisteme beslenen metanol fazlası ile reaksiyon sonucu oluşan DMC'nin azeotropik bir karışım oluşturması, bu iki bileşenin ayrılmasını zorlaştırmaktadır. Azeotropik karışımların ayrılmasında öne çıkan yöntemlerden birisi olan ekstraktif distilasyonun, içerdiği yüksek debili ekstraktif ajanın geri kazanılması ihtiyacından dolayı maliyetli bir proses olduğu bilinmektedir. Ancak DMC-MeOH karışımının azeotropik bileşimi basınca duyarlı olduğundan, proseste bulunan ekstraktif distilasyon kolonunun işletme basıncının arttırılmasıyla, ihtiyaç duyulan ekstraktif ajan miktarında bir azaltma sağlanabileceği düşünülmektedir. Bu nedenle, bu tezde mevcut çalışmalara alternatif bir yöntem olarak, %99.8 saflıkta DMC ve %99.99 saflıkta metanol eldesini sağlayacak bir artırılmış basınçlı ekstraktif distilasyon prosesi tasarlamak amaçlanmıştır. Tez iki aşamadan oluşmaktadır. Tezin ilk aşamasında tasarlanan alternatif DMC-MeOH ayırma proses konfigürasyonları Aspen Plus'ta simüle edilmiştir. Ekstraktif ajan olarak metil izobütil keton (MIBK) kullanılan proseste, alternatif konfigürasyonlardaki distilasyon kolonları farklı işletme basınçlarında (1 bar, 5 bar, 7.5 bar ve 10 bar) çalıştırılarak, saflaştırma için ihtiyaç duyulan MIBK miktarındaki değişim incelenmiştir. Tasarlanan artırılmış basınçlı ekstraktif distilasyon prosesleri için kullanılması gereken ekstraktif ajan debileri optimize edilerek, bu proses konfigürasyonlarıyla atmosferik basınçta çalışan ekstraktif distilasyon prosesinin toplam yıllık maliyetleri (TAC) karşılaştırılmıştır. Tasarlanan artırılmış basınçlı ekstraktif distilasyon proseslerinde iki kolon bulunmaktadır. Proseste bulunan ekstraktif distilanyon kolonunda, tercih edilen ekstraktif ajan MIBK ile DMC-MeOH azeotropik karışım birbirinden ayrılır. İkinci kolonda, ise ekstraktif ajan geri kazanılarak ilk kolona geri gönderilir. Elde edilen yatışkın hal tasarım sonuçları, ekstraktif kolonun çalışma basıncının artmasıyla birlikte ihtiyaç duyulan ekstraktif ajan miktarında ciddi bir azalma olduğunu göstermektedir. Buna ek olarak, ilk kolonun 10 bar işletme basıncında çalıştırılmasının en iyi senaryo olduğu anlaşılmaktadır. Ekstraktif kolonun 10 bar işletme basıncında çalıştırılması sonucu, toplam yıllık maliyette %34.1'lik bir azalma gözlemlenirken, sistemin karbondioksit emisyonunda da %29.8'lik bir düşüş olmuştur. Tezin ikinci aşamasında, yatışkın hal tasarımı yapılan konfigürasyonlardan, en düşük toplam yıllık maliyet ve karbondioksit emisyonu veren proses (10 bar işletme basıncında çalışan ekstraktif disitlasyon kolonu içeren) için, Aspen Dynamics kullanılarak alternatif dinamik kontrol yapıları oluşturulmuştur. Yatışkın hal simülasyonu, dinamik simülasyon ortamına gönderilmeden önce distilasyon kolonlarının reflüks dramı ve taban haznesi boyutlandırmaları yapılmıştır. Dinamik analiz için sisteme temel kontrol çevrimleri olan basınç, seviye, akış ve sıcaklık kontrolü eklenmiştir. Her iki distilasyon kolonundaki sıcaklık kontrolör parametrelerinin ayarı için ATV yöntemi kullanılmıştır. Ortak temel kontrol çevrimlerinin üstüne, distilat-reflüks, besleme-reflüks, besleme-reboyler ısıl yük veya besleme-ekstraktif ajan debisi oranı gibi farklı oran kontrolleri eklenerek, yedi alternatif kontrol yapısı tasarlanmış ve tüm bu kontrol yapılarına bozanetken olarak ± %20 besleme akış debisi ve ±%3 mol besleme bileşimi değişimleri uygulanmıştır. Elde edilen dinamik veriler MATLAB'e aktarılarak alternatif kontrol yapılarına ait dinamik cevap grafikleri oluşturulmuştur. Elde edilen sonuçlar, 7. kontrol yapısı hariç geri kalan tüm kontrol yapılarında sistemin yaklaşık 20-25 saat sonunda yatışkın hale geldiğini göstermektedir. Çalışma sonuçlarından, sistem için en uygun kontrol yapısının, diğer tüm kontrol yapılarının kombinasyonu olan 6. kontrol yapısı olduğu anlaşılmıştır. 6. kontrol yapısında, her iki distilasyon kolonu için de besleme akımının disitlasyon kolonlarının reboyler ısıl yüküne oran kontrolü sağlanmıştır. Buna ek olarak ekstraktif kolon için ekstraktif kolonun tepe ürün akımının ekstraktif kolonun reflüks akımına oranı ile kontrol sağlanırken, geri kazanım kolonunda ise, geri kazanım kolonuna giren besleme akımının geri kazanım kolonun reflüks akımına oranı ile kontrol sağlanmıştır. İlgili kontrol sistemi bozan etkenlere daha hızlı tepki vermiştir ve ofset değerleri diğer kontrol yapılarıyla kıyaslandığında ürün saflıkları için en iyi sonuçları vermiştir.
Özet (Çeviri)
Number of industrial facilities increase rapidly which leads to rise in their negative impact on their environmental destruction. In order to reduce this negative impact, there is a noteworthy increase in the usage of environmentally friendly raw materials and chemical processes. Dimethyl carbonate (DMC), due to its favorable properties such as having low ecotoxicity and being biodegradable, stands out as an environmentally friendly“green chemical”. Since DMC has no harmful impact on environment, it is commonly used as substitute material of dimethyl sulphate and phosgene in methylation and carbonylation reactions. In addition to this, it is used as a co-solvent for non-aqueous electrolytes for lithium rechargeable batteries and adequate side material for internal combustion engine fuels. Transesterification of propylene carbonate and methanol is a preferable path for DMC synthesis. However, reaction with excess methanol (MeOH) being fed to the system results in azeotropic mixtures with DMC which eventually leads to difficulties in separation of DMC-MeOH mixture. Extractive distillation which is one of the most preferred methods for separation of azeotropic mixtures is known as an expensive process due to requirement of regeneration of extractive agent. Nevertheless, since DMC-MeOH azeotropic mixture is sensitive to pressure changes, a reduction in extractive agent requirement is considered achievable by operating the extractive column at higher pressures. For that reason, it is aimed to design an increased-pressure extractive distillation process which provides DMC with 99.8% purity and MeOH with 99.99% purity. The proposed process consists of two columns. The purpose of extractive distillation column is to separate methanol from azeotropic mixture using methyl isobutyl ketone (MIBK) as an extractive agent, while the recovery column is used to purify DMC and recycle the regenerated extractive agent MIBK back to the extractive column. The thesis consists of two stages. In the first stage, it is aimed to simulate alternate DMC-MeOH separation process configurations using Aspen Plus where the extractive distillation column operates at different pressures such as 1 bar, 5 bar, 7.5 bar and 10 bar. All increased-pressure extractive distillation process options and the base case where both columns operate at atmospheric pressure are optimized based on the total annual cost (TAC). As per the simulation results, significant amount of reduction in entrainer requirement is observed by increasing the operating pressure of extractive distillation column. By operating extractive distillation column at 10 bar pressure, a 34.1% decrease in total annual cost and 29.8% reduction in carbon dioxide emissions are observed compared to the base case where extractive distillation column operates at atmospheric pressure. Among the design studies of 1 bar, 5 bar, 7.5 bar and 10 bar, control structures are implemented for the case with 10 bar operating pressure which results in the lowest TAC and CO2 emissions. Prior to exporting steady-state design from Aspen Plus to Aspen Dynamics, equipment sizing for reflux drums and column sumps are completed. As steady-state simulation is exported to Aspen Dynamics, necessary controllers such as flow, level, pressure and temperature controllers are implemented to the system. ATV test is used to tune the temperature controllers. After that, seven different control structures which are distillate to reflux ratio control, feed to reflux ratio control, feed to reboiler duty ratio, feed to reflux & reboiler duty ratio controller, combined ratio control of distillate to reflux, feed to reflux and feed to reboiler duty, and feed to entrainer flow ratio are designed, and two different types of disturbances such as ± 20% change in the feed flowrate and ± 3% change in the feed composition are introduced to the system. Each of the simulations is conducted for 50 hours in which first two hours are operates in steady-state conditions. At the end of each simulation, generated data is exported to MATLAB to produce graphical results. According to outcomes of this study, it is seen that in case of change in the feed flowrate, solely feed to reflux ratio, combination of feed to reflux and feed to reboiler duty ratio and combination of distillate to reflux ratio control of extractive column, feed to reflux ratio control of recovery column and feed to reboiler duty ratio control in both of the column gives the best results for product purities by taking into account the lowered offset values and oscillations in addition to quicker response time. In more detailed observation, although there are very small differences between the control strategies yielding good results, combination of distillate to reflux ratio control of extractive column, feed to reflux ratio control of recovery column and feed to reboiler duty ratio control in both of the column gives better results with respect to other two control structures. Two results can be reached from this observation. First, addition of feed to reboiler duty ratio control improves response time of the process against flow rate disturbances although single application of feed to reboiler duty ratio alone does not provide satisfactory results. Secondly, although distillate to reflux ratio alone gives bad results, addition of feed to reflux ratio improves the control structure response to a reasonable level. On the other hand, each of the simulated scenarios except for the scenario seven have converged to its new steady state value in around 20-25 hours and stabilized for any kind of disturbances. It is aimed to control the entrainer make-up flow via a certain ratio from feed flow in 7th control structure, however, proper control of the system was not achieved. As the disturbanced are intoruduced to the system, it is not possible to conduct column operations decently.
Benzer Tezler
- Sığ kuyu toprak kaynaklı ısı değiştiricilerin tasarımında mevsimlere bağlı atmosferik koşulların etkisi
Effects of seasonal atmospheric conditions on the design of shallow ground-source heat exchangers
FERHAT CAN KOÇAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SEVAN KARABETOĞLU
- 2-8 MBit/s fiber optik hat teçhizatı arayüz devresinin sahada programlanabilir kapı dizisi ile tasarlanması ve gerçeklenmesi
Designing and implementing 2MBit/s and 8 MBit/s fiber optic line terminating equipment interface circuit by using field programmable gate array
ÜMİT GÖĞÜSGEREN
Yüksek Lisans
Türkçe
1993
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF. DR. AHMET DERVİŞOĞLU
- Su altı akıntı türbinlerinin hidrodinamik analizi
Hydrodynamic analysis of marine current turbines
DENİZ UŞAR
Doktora
Türkçe
2015
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞAKİR BAL
- Elektrosprey enjeksiyon sistemi tasarımı ve karakterizasyonu
Design and characterization of electrospray injection system
MAHMUT CAN KARAKAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ONUR TUNÇER