Geri Dön

Rethinking the design of a hybrid extraction-distillation process for purification of biobutanol from ABE fermentation broth

ABE fermantasyon suyundan biyobütenolün saflaştırılması için yeni bir hibrit ekstraksiyon-distilasyon prosesinin tasarımı

PDF İndir

  1. Tez No: 810719
  2. Yazar: HANİYEH KARDAN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. DEVRİM BARIŞ KAYMAK
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 67

Özet

Dünya nüfusunun hızla artması ve fosil yakıtların kıtlığı sonucunda yakıt talebi yükselmektedir. Bu durum fosil yakıt kullanımıyla ilgili çevresel endişeleri artırmaktadır ve ayrıca yüksek fiyatlı yakıtlara yol açmıştır. Bu nedenle, geleneksel yakıtların yerine alternatif enerji kaynaklarının kullanımı gelecekte önemli bir rol oynayacaktır. Umut vaat eden alternatiflerden biri biyoyakıtlardır ve alternatif biyoyakıtlar arasında biyobütanol, biyoetanol ile karşılaştırıldığında daha yüksek yakıt değeri ve daha düşük uçuculuğuyla öne çıkmaktadır. Birçok çalışmada, biyobütanol üretimi için aseton-bütanol-etanol (ABE) fermantasyonu kullanılmaktadır. Ancak, bütanolün mikroorganizmalar üzerindeki toksik etkisi nedeniyle, çok düşük konsantrasyonlarda seyreltilmiş bir fermantasyon suyu elde edilmektedir. Ek olarak, fermantasyon suyunda homojen (etanol-su) ve heterojen (bütanol-su) azeotroplar bulunması, biyobütanolün saflaştırılmasını zorlu hale getirmiş olup, yüksek enerji kullanımını gerektirerek masraflı bir çalışma haline getirmektedir. ABE fermantasyon suyunun bileşenlerini ayırmak için literatürde çeşitli proses konfigürasyonları incelenmiştir. İncelenen konfigürasyonlardan birisi olan hibrit ekstraksiyon-distilasyon prosesinde, heksil asetat adı verilen bir çözücü yardımıyla karışımdaki suyun tamamının ekstraktörün rafinat fazından uzaklaştırılabileceği iddia edilmektedir. Böylece, ekstrakt fazındaki susuz ABE karışımı ve heksil asetat, sistemde artık bir azeotrop bulunmadığından geleneksel distilasyon kolonları kullanılarak kolayca ayrılabilir. Ancak, yakın tarihli bir izopropanol-bütanol-etanol (IBE) ayırma çalışmasından elde edilen bulgular, ekstraktör yardımıyla tüm suyun alınmasının mümkün olmadığını göstermektedir. Bu nedenle, literatürdeki ABE ayırma çalışmasının doğruluğunun şüphe uyandırmasından kaynaklı, ABE fermantasyon suyu saflaştırma için kullanılan hibrit ekstraksiyon-distilasyon proseslerinin yeniden ele alınması ihtiyacı açığa çkmıştır. Burada yapılmış olan çalışmanın ön sonuçlarından elde edilen bilgilere göre, suyun büyük kısmı ekstraktörün rafinat fazında uzaklaştırılsa da, ekstrakt fazında hala önemli miktarda suyun bulunduğunu görülmektedir. Bu nedenle, sistemde hala azeotropik karışımlar bulunmakta olup ve bu ekstrakt fazın bir geleneksel distilasyon kolonu zinciri kullanılarak ayrılması imkansızdır. Literatürdeki çalışma koşullarında tüm suyun, ekstraktörün rafinat fazından alınamamasından dolayı, bu çalışmada literatürden farklı koşullarda (sıcaklık, basınç, heksil asetat debisi ve raf sayısı), tüm suyun rafinat fazdan alınabilme olasılığı incelenmiştir. Bu çalışmada elde edilen sonuçlar, farklı çalışma koşullarında bile suyun bir miktarının ekstrakt fazdan kaçtığını göstermektedir. Ancak, heksil asetat debisinin etkisinin incelenmesinde, heksil asetat debisinin literatürde önerilen 700 kg/saat'ten 150 kg/saat'e indirilmesiyle çok daha az suyun ekstrakt fazına kaçmış olduğu gözlemlenmiştir. Bu sayede hem daha az su içeren bir ekstrakt fazı elde edilmiş olacak hem de ekstraktörü takip eden distilasyon kolonlarının kondensör ve kazanlarında daha az enerji kullanımı gereksinimi olacaktır. Bunun sonucunda, toplamda daha az enerji harcanmış olacak ve bu da toplam maliyeti azaltacaktır. Bu çalışmanın amacı, fermantasyon suyundan biyobütanol saflaştırmak için ekstraksiyon ve distilasyon üniteleri içeren yeni bir proses konfigürasyonu önermektir. Bu yeni konfigürasyonda, ekstraktörün ekstrakt fazı, ABE karışımındaki kalan suyu ayırmak için çözücü olarak heksil asetat kullanılan bir ekstraktif distilasyon kolonuna beslenir. Ekstraktif kolonun baş akımından alınan karışım, bir dekantör yardımıyla su ve çözücü (heksil asetat) akımlarına ayırır. Bu kolonun taban akımı bir geri kazanım kolonuna gönderilir, çözücü bu kolonun tabanından alınarak ısı eşanjörleri ile soğutulup, besleme koşullarına getirildikten sonra, önceki ünitelere (ekstraktör ve ekstraktif distilasyon kolonuna) geri beslenir. Susuz ABE karışımı içeren distilat akımı ise bütanol, aseton ve etanolü saflaştırmak için bir geleneksel distilasyon kolonu zincirine gönderilir. Simülasyonlar Aspen Plus kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu distilasyon kolonlarında, tasarım özelliklerinde bulunan saflık yüzdesi, sonradan daha iyi bir kıyaslama imkanı sunabilmek amacıyla, literatürde bulunan makale ile aynı yüzdede sabit bırakılmıştır. Önerilen proses konfigürasyonu, optimizasyon algoritması olarak şebeke arama yöntemi kullanılarak toplam yıllık maliyetin (TAC) minimize edilmesiyle optimize edilmiştir. Uyumluluk için, besleme özellikleri, termodinamik model ve ikili etkileşim parametreleri literatürde yayınlanan çalışmalardan alınmıştır. Ekstraktif distilasyon kolonunda dört farklı değişken (raf sayısı, besleme akımı rafı, heksil asetat besleme akımı rafı ve heksil asetat debisi) bulunmaktadır. TAC minimize edilmesi adına, bu dört değişkenin aynı anda değişmesi gerektiği sonucuna varılmış olup, ve en az heksil asetat debilerinde, besleme rafı fark etmekzsizin, daha optimize sonuçlar elde edildiği bulgusuna varılmıştır. Ekstraktif distilasyon prosesinde kaç raflı kolonlarda ve hangi besleme rafında daha iyi sonuç elde edilir diye TAC hesaplaması yapmadan, doğrudan fikir yürütmek mümkün değildir. Ancak simülasyon çalışmaları yapıldıktan sonra, TAC hesaplanarak kaç raflı kolonların ve hangi besleme rafı konumlarının optimim sonuç verdiği kararına varmak mümkün olmaktadır. Bu çalışmada, heksil asetatın kolonun üst raflarından beslenmesinin daha iyi sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir. Çalıştırılan simülasyonlar ve TAC hesaplamalarına göre optimum koşulda, yani heksil asetatın en az miktarda olup ve ekstraktif distilasyonunun çalışmış olup ayırma işlemini yapmış olduğu koşulda, gereken heksil asetat debisinin 140 kg/saat olduğu sonucuna varılmıştır. Bu konfigürasyon için hesaplanan toplam yıllık maliyet, literatürdeki hibrit proseslerle karşılaştırıldığında önemli bir maliyet tasarrufu sağlandığını göstermektedir. Bu çalışmanın toplam yıllık maliyeti 47.700 $ olarak hesaplanırken, literatürdeki hibrit ekstraktör-distilasyon prosesi için 246.400 $'lık bir TAC bildirilmektedir. Bu, TAC'da %80.6'lık büyük bir azalma anlamına gelmektedir. Burada belirtmek gerekir ki, literatürde kullanılan TAC hesaplama formülleri ile bu çalışmada kullanılan formüller arasında farklılıklar mevcuttur. Bu nedenle, literatürdeki hibrit proses için mevcut veriler kullanılarak bu çalışmadaki TAC hesaplama formülleri uygulanarak TAC hesaplaması yapılmış ve sonuç olarak yıllık 182.300 $'lık bir TAC elde edilmiştir. Bu durumda bile, toplam yıllık maliyette %73.8'lik bir azalma olarak ortaya çıkmıştır. Bu bulgular, önerilen proses konfigürasyonunun literatüre kıyasla önemli ölçüde maliyet iyileşmesi sağladığını göstermektedir.

Özet (Çeviri)

There is an increase in fuel demand as a result of the rapid growth of the world population and shortage of fossil fuels, and it enhances environmental concerns about fossil fuel usage. Thus, usage of alternative energy sources instead of conventional fuels will play an important role in the future. One of the promising alternatives is biofuels, and among alternative biofuels, biobutanol comes forward with its higher fuel value and lower volatility compared with bioethanol. In several studies, acetone-butanol-ethanol (ABE) fermentation is used for biobutanol production. However, a dilute fermentation broth with a very low concentration is obtained because of the butanol toxicity to microorganisms. In addition, there are homogeneous (ethanol-water) and heterogeneous (butanol-water) azeotropes in the fermentation broth making the purification of biobutanol a challenging work. Several process configurations have been studied in the literature to separate the components of ABE fermentation broth. One of the studied configurations is the hybrid extractor-distillation process, where it is claimed that all the water can be removed from the raffinate phase of extractor using a solvent called hexyl acetate. Thus, the extract phase includes only ABE mixture and hexyl acetate, and they can be easily separated using conventional distillation columns since there is no more azeotrope in the process. However, the preliminary results of this study show that although most of the water is removed from the raffinate of extractor, there is still a significant amount of water leaving the extractor in the extract phase along with ABE mixture and hexyl acetate. Thus, separation of this extract phase using a chain of conventional distillation columns is impossible. This study aims to propose a new process configuration including extraction and distillation stages to purify biobutanol from the fermentation broth. In this novel configuration, the extract phase of the extractor is fed into an extractive distillation column to separate the remaining water from the ABE mixture by using hexyl acetate as the entrainer. The distillate of the extractive column consists of water and entrainer are separated using a decanter. The bottoms of this column are sent to a recovery column to remove the entrainer from the bottoms and recycle back to the upstream units. The distillate stream including anhydrous ABE mixture is then sent to a chain of conventional distillation columns to purify butanol, acetone, and ethanol. The simulations are conducted using Aspen Plus. The proposed process configuration is optimized by minimizing the total annual cost (TAC), using the grid search method as the optimization algorithm. For consistency, feed properties, thermodynamic model, and binary interaction parameters are taken from studies published in the literature. The calculated TAC for this configuration demonstrates a significant cost saving compared to the hybrid processes studied in the literature. The TAC for this process is calculated as 47,700 $/year, whereas the literature reports a TAC of 246,400 $/year for the hybrid extractor-distillation process. This indicates a remarkable decrease of 80.6% in TAC. It's important to note that the formulas used for calculating TAC in the literature differ from the formulas used in this study. For this reason, by applying the formulas used in this study to the data provided for the hybrid process in the literature, another TAC calculation was performed resulting in a TAC of 182,300 $/year. Even in this scenario, the cost savings represent a substantial decrease of 73.8%. These findings highlight the significant cost-effectiveness achieved by the proposed process configuration compared to the literature.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    555650

    Mekanda animizm üzerine bir araştırma

    A research on spatial animism

    İKBAL EREN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. YASEMİN ALKIŞER BREGGER

  2. Tez No

    66826

    Değişim mühendisliği

    Reengineering

    KIYMET ÇİĞDEM

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1997

    Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET TANYAŞ

  3. Tez No

    781270

    Post pandemi döneminde tasarım stüdyosunu yeniden düşünmek; İstanbul Kültür Üniversitesi mimari tasarım stüdyosu için bir iç mekân önerisi

    Re-thinking the design studio during the post pandemic period; an interior proposal for İstanbul Kültür University architectural design studio

    HADEEL ALKURDIEH

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    İç Mimari ve Dekorasyonİstanbul Kültür Üniversitesi

    İç Mimarlık ve Çevre Tasarımı Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ARMAĞAN SEÇİL MELİKOĞLU EKE

  4. Tez No

    55953

    Elektrik motoru seçim kriterleri ve kontrol organına bir limiter konulmuş motorun optimal parametrelerinin simpleks metodu ile tayini

    Başlık çevirisi yok

    VOLKAN ÇAKMAKÇI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1996

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    DOÇ.DR. AYDIN HIZAL

  5. Tez No

    868895

    Konsol istinat duvarlarının dinamik davranışının yapay zeka yöntemleriyle belirlenmesi

    Determination of dynamic behaviour of cantilever retaining walls with artificial intelligence methods

    UTKU KÖKTAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    İnşaat MühendisliğiOndokuz Mayıs Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. GÖKHAN DEMİR

Geri Dön