SUPERVISOR
Mohsen Nasresfahany
محسن نصراصفهانی (استاد راهنما)
STUDENT
Omid Babaie
امید بابائی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1392
Distillation is the most common industrial separation process. However, simple distillation fails to separate all kinds of mixtures. For instance, when one or more components of a mixture form an azeotrope, it is not possible to fully separate them by simple distillation process. Some modifications are proposed to make the separation of azeotropic mixtures possible. These modifications have resulted methods such as pressure swing distillation, azeotropic distillation, extractive distillation, salt distillation and reactive distillation. The hybrid distillation– pervaporation process can also be utilized for the separation of azeotropic mixtures. Membrane processes show low energy consumption and are environmentally friendly. So, the hybrid distillation–pervaporation process is appropriate for the separation of azeotropic mixtures. The aim of this study was to optimize the hybrid distillation–pervaporation process for the separation of azeotropic mixtures and determine the best arrangement in this process. Most parameters of the process were considered as optimization variables, especially pervaporation parameters such as the number of modules, the permeate pressure and temperature of inlet flow to each module which went unnoticed in previous studies. Reduction of energy costs in a process is a major concern in optimization of hybrid distillation–pervaporation process. In this study, in order to cut energy costs, an efficient method was used for heat integration of the process. To this purpose, heat exchange was provided between all internal streams to the column and inlet streams to pervaporation modules. One of the optimization variables was heat exchange fraction between streams and the number of heat exchangers which was determined by optimization algorithm. In order for the optimization algorithm to have the potential to optimize discrete variables and have a high convergence speed given the high number of optimization variables, genetic algorithm and particle swarm optimization algorithm were utilized. The mentioned cases have been investigated for ETBE production process. To test the efficiency of the proposed method, a comparison was made between the proposed model and other ETBE synthesis processes. To this purpose, 93 ETBE synthesis processes including distillation, reactive distillation, pressure swing distillation, liquid-liquid extraction and pervaporation and a hybrid of these processes were optimized. Results show that the proposed model was selected as the top process (which consists of two reactors, a distillation column, pervaporation unit with series– parallel arrangement, and the hybrid HIDiC, feed splitting and heat integration). It resulted in a 52% TAC reduction compared to the conventional process (which consists of two reactors, two distillation columns, and a liquid-liquid extraction column). Heat integration between internal streams of distillation column and inlet flows to the pervaporation modules resulted in a 20% TAC reduction the most important reason of which was the complete elimination of hot utility pervaporation process. In all hybrid distillation or reactive distillation with pervaporation processes, the best state is when pervaporation process is along with the side stream of the column. In addition, in all hybrid distillation or reactive distillation with pervaporation processes, the series–parallel arrangement between pervaporation modules outperform the series and parallel arrangement the main reason of which is minimized membrane area and utility consumption. The major optimization variables include feed splitting fraction in the feed splitting process, pressure difference of the stripping and rectifying sections in the HIDiC method, heat exchange ratio between streams in heat integration process between internal streams of the column and the inlet flow to pervaporation modules, and the permeate pressure in pervaporation process. In cases when the variables are not optimal, each process may lose its effectiveness.
تقطیر متداولترین روش جداسازی در صنعت محسوب میشود، اما استفاده از تقطیر معمولی برای جداسازی همهی مخلوطها امکانپذیر نیست. یکی از مواردی که نمیتوان به کمک تقطیر معمولی به جداسازی کامل رسید، هنگامی است که دو ینا چنند جنزء در مخلنوط بنا یکدیگر تشکیل آزئوتروپ دهند. برای رفع این مشکل، اصالحاتی پیشنهاد شده است تنا جداسنازی مخلوطهنای آزئنوتروپی امکانپنذیر شود. این اصالحات منجر به ایجاد روشهایی شده است که عبارتند ازتقطیر فشار تناوبی، تقطیر آزئوتروپی، تقطیر اسنتخراجی، تقطینر بنا نمک و تقطیر واکنشی. در کنار این روشها از روش تلفیق تقطیر و تراوشتبخیری نیز میتوان بنرای جداسنازی مخلوطهنای آزئنوتروپی استفاده کرد. از آنجایی که فرایندهای غشایی مصرف انرژی پایینی دارند و سنازگار بنا محنیط زیسنت هسنتند، تلفینق تقطینر بنا تنراوش تبخیری میتواند روش مناسبی برای جداسازی مخلوطهای آزئوتروپی باشد. هدف از انجام این پروهب، بهینهسازی فرایند تلفیق تقطیر و تراوش تبخیری بهمنظور جداسازی مخلوطهای آزئوتروپی و همچنین تعینین بهترین آرایب در این فرایند است. در بحث بهینهسازی، اکثر پارامترهای فرایند بهعنوان متغیر بهینهسازی در نظر گرفته شده است. به ویره پارامترهای تراوش تبخیری مانند تعداد ماژول، فشار جریان تراوشیافته و دمای جریان ورودی به هر ماژول که در مطالعات گذشته خیلنی به آنها توجه نشده است. یکی از مهمترین مسایل در بهینهسازی تلفیق تقطیر و تراوش تبخیری، کاهب هزینهی اننرژی فراینند اسنت. در این تحقیق بهمنظور کاهب هزینهی انرژی از یک ایدهی کارآمد برای انتگراسیون حرارتی فرایند استفاده شده است. به اینن صنورت کنه امکان تبادل حرارت بین تمام جریانهای داخلی برج با جریانهای ورودی به ماژولهای تراوش تبخیری برقنرار شنده اسنت. کسنر تبنادل حرارت بین جریانها و تعداد مبدلهای حرارتی جزء متغیرهای بهینهسازی بوده و توسط الگوریتم بهینهساز تعیین شده است. برای اینکنه الگوریتم بهینهساز توانایی الزم برای بهینهسازی متغیرهای گسسته را داشته باشد و از طرف دیگر به دلیل تعداد متغیرهای بهینهسازی زیناد، سرعت همگرایی باالیی نیز داشته باشد از ترکیب الگوریتم ژنتیک و الگوریتم ازدحام ذرات استفاده شده است. موارد ذکر شده بر روی فرایند تولید ETBE مورد بررسی قرار گرفته است. برای اینن کنه کنارایی روش پیشننهادی مشنخص شنود بایند مقایسهای بین روش پیشنهادی با دیگر فرایندهای تولید ETBE صورت گیرد. بدین ترتیب 93 فرایند مختلف تولید ETBE شامل تقطیر، تقطیر واکنشی، تقطیر فشار تناوبی، استخراج مایع – مایع، تراوش تبخیری و ترکیب این روشها با یکدیگر بهینهسازی شدهاند. نتایج نشان میدهد فرایند پیشنهادی )شامل دو راکتور، یک برج تقطیر، واحد تراوش تبخینری بنا آراینب سنری – منوازی و بنا ترکینب روشهنای انتگراسیون حرارتی داخلی، شکستن خوراک و انتگراسیون حرارتی( بهعنوان بهترین فرایند انتخاب شده است. این فرایند نسبت به فراینند مرسوم )شامل دو راکتور، دو برج تقطیر و یک برج استخراج مایع – مایع( 52 درصد کاهب هزینه کلی سالیانه داشته اسنت. انتگراسنیون حرارتی بین جریانهای داخلی برج تقطیر و جریانهای ورودی به ماژولهای تراوش تبخیری به تنهنایی در حندود 20 درصند بنه کناهب هزینه کلی سالیانه کمک کرده است که مهمترین دلیل آن برطرف شدن کامل نیاز فرایند تراوش تبخیری به یوتیلیتی گرم است. در تمنام فرایندهای تلفیق تقطیر یا تقطیر واکنشی با تراوش تبخیری بهترین حالت زمانی رخ داده است که تراوش تبخیری در کننار جرینان جنانبی برج قرار گرفته است. همچنین در تمام فرایندهای تلفیق تقطیر یا تقطیر واکنشی با تراوش تبخیری، آرایب سری – موازی بین ماژولهنای فرایند تراوش تبخیری نسبت به آرایب سری و آرایب موازی عملکرد بهتری داشته است که مهمترین دلیل آن کناهب سنطغ غشنایی و کاهب مصرف یوتیلیتی است. در بین تمام متغیرهای بهینهسازی، کسر تقسیم خوراک در روش شکستن خوراک، نسبت فشنار کمپرسنور در روش انتگراسیون حرارتی داخلی، کسر تبنادل حنرارت بنین جریانهنا در روش انتگراسنیون حرارتنی بنین جریانهنای داخلنی بنرج و جریانهای ورودی به ماژولهای تراوش تبخیری و فشار جریان تراوش یافتنه در روش تنراوش تبخینری مهمتنرین متغیرهنای بهینهسنازی محسوب میشوند. بطوری که اگر مقدار این متغیرها در حالت بهینه نباشند هر کدام از روشها کارایی خود را از دست میدهند. کلمات کلیدی: آزئوتروپ، بهینهسازی، تقطیر، تراوش تبخیری، انتگراسیون حرارتی 1 -فصل اول فصل اول: مقدمه