Μοντελοποίηση και προσομοίωση διεργασίας εκχυλιστικής απόσταξης με χρήση ιοντικών υγρών για το διαχωρισμό του μίγματος αιθανόλης-νερού

Ράλλης, Κωνσταντίνος; Rallis, Konstantinos

dc.contributor.author	Ράλλης, Κωνσταντίνος	el
dc.contributor.author	Rallis, Konstantinos	en
dc.date.accessioned	2019-03-06T10:06:16Z
dc.date.available	2019-03-06T10:06:16Z
dc.date.issued	2019-03-06
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/48358
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.16428
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Βιοαιθανόλη	el
dc.subject	Εκχυλιστική απόσταξη	el
dc.subject	Ιοντικά υγρά	el
dc.subject	Μοριακά κόσκινα	el
dc.subject	Προσομοίωση Aspen Plus	el
dc.subject	Bioethanol	en
dc.subject	Extractive distillation	el
dc.subject	Ionic liquids	el
dc.subject	Molecular sieves	el
dc.subject	Aspen Plus simulations	el
dc.title	Μοντελοποίηση και προσομοίωση διεργασίας εκχυλιστικής απόσταξης με χρήση ιοντικών υγρών για το διαχωρισμό του μίγματος αιθανόλης-νερού	el
dc.title	Modeling and simulation of extraction distillation process using ionic liquids for the separation of the ethanol-water mixture	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Μοντελοποίηση και προσομοίωση	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/f85383fcd7c211714084d7fca897998d7d759c5d
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-10-10
heal.abstract	H παρούσα διπλωματική εργασία μελετά την ανάκτηση αιθανόλης καθαρότητας 99.5% κ.β. Η αιθανόλη που διαχωρίζεται είναι βιοαιθανόλη, που έχει προκύψει από την ζύμωση υπολείμματος καλαμποκιού. Για το σκοπό αυτό, προτείνεται η διεργασία της εκχυλιστικής απόσταξης με χρήση ιοντικών υγρών ως διαλύτες (entrainers), μιας νέας κατηγορίας διαλυτών με σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι των κλασσικών. Η προσθήκη του ιοντικού υγρού έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της σχετικής πτητικότητας της αιθανόλης ως προς το νερό με αποτέλεσμα τη μετακίνηση του αζεοτρόπου σε υψηλότερες συγκεντρώσεις αιθανόλης και την εξαφάνιση του σε υψηλότερες αναλογίες ιοντικού υγρού/μίγμα βιοαιθανόλης. Ως προϊόντα της εκχυλιστικής απόσταξης λαμβάνεται στην κορυφή της στήλης αιθανόλη, που ικανοποιεί την προδιαγραφή καθαρότητας, και στον πυθμένα μίγμα νερού/ιοντικού υγρού το οποίο στη συνέχεια διαχωρίζεται προκειμένου το ιοντικό υγρό να ανακυκλωθεί στην αποστακτική στήλη. Η προτεινόμενη διεργασία συγκρίνεται με τη συνήθη διεργασία που ακολουθείται για την ανάκτηση βιοαιθανόλης, δηλαδή ατμοσφαιρική κλασματική απόσταξη για τη λήψη αζεοτροπικού μίγματος αιθανόλης-νερού ακολουθούμενη από περαιτέρω αφυδάτωση του προϊόντος με προσρόφηση σε μοριακά κόσκινα ώστε να ικανοποιείται η προδιαγραφή της καθαρότητας του τελικού προϊόντος σε αιθανόλη. Η μελέτη των διεργασιών διαχωρισμού πραγματοποιήθηκε στο περιβάλλον προσομοίωσης Aspen Plus.Τα ιοντικά υγρά που εξετάστηκαν είναι το 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate ([EMIM][BF4]), το οποίο αποτελεί ένα από τα πρώτα ιοντικά υγρά που μελετήθηκαν στη βιβλιογραφία και το 2-hydroxyethylammonium acetate(2-HEAA), το οποίο έχει μελετηθεί γι’ αυτό το σκοπό στο Εργαστήριο Θερμοδυναμικής και Φαινομένων Μεταφοράς του ΕΜΠ, που σε σύγκριση με άλλα, κυρίως ιμιδαζολικά ιοντικά υγρά, εμφανίζει σημαντικά πλεονεκτήματα με κυριότερα την ευκολία σύνθεσής του, τη βιοαποικοδομησιμότητα του και τη μη τοξικότητά του. Ένα από τα προβλήματα που αντιμετωπίστηκαν κατά την προσομοίωση της συμπεριφοράς των ιοντικών υγρών είναι η έλλειψη πειραματικών δεδομένων διαφόρων ιδιοτήτων που είναι απαραίτητες για την προσομοίωση των διεργασιών. Στη συγκεκριμένη εργασία σημαντικό ρολό παίζουν η τάση ατμών και η ειδική θερμοχωρητικότητα του ιοντικού υγρού. Ιδιαίτερα όσο αφορά τη θερμοχωρητικότητα, είναι εξαιρετικά σημαντική για τον καθορισμό των ενεργειακών απαιτήσεων της διεργασίας. Για το λόγο αυτό, μελετήθηκαν και συγκρίθηκαν βιβλιογραφικές μέθοδοι πρόβλεψης της θερμοχωρητικότητας που βασίζονται στην αρχή της συνεισφοράς ομάδων. ii Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης των διεργασιών ανάκτησης της βιοαιθανόλης έδειξαν ότι και τα δύο ιοντικά υγρά μπορούν να χρησιμοποιηθούν με επιτυχία για την ανάκτηση της αιθανόλης. Οι ενεργειακές απαιτήσεις της διεργασίας δεν διαφοροποιούνται σημαντικά ανάλογα με το ιοντικό υγρό που χρησιμοποιείται. Όμως το ιοντικό υγρό 2-HEAA πλεονεκτεί αναφορικά με την απαιτούμενη μαζική παροχή του στη στήλη εκχυλιστικής απόσταξης η οποία αποτελεί περίπου το 25% της αντίστοιχης παροχής του [EMIM][BF4]. Τέλος, η σύγκριση της διεργασίας της εκχυλιστικής απόσταξης με ιοντικά υγρά με τη διεργασία διαχωρισμού με απόσταξη και μοριακά κόσκινα έδειξε ότι οι ενεργειακές απαιτήσεις του διαχωρισμού με ΙΥ είναι περίπου 28% χαμηλότερες σε σχέση με το διαχωρισμό με μοριακά κόσκινα της δεύτερης, γεγονός που αναδεικνύει την εκχυλιστική απόσταξη ως μια υποσχόμενη εναλλακτική διεργασία, η οποία αξίζει να μελετηθεί περαιτέρω.	el
heal.abstract	This diploma thesis studies the recovery of 99.5% w/w ethanol from bioethanol derived from biomass fermentation and especially from corn residues. For this purpose, the process of extractive distillation using ionic liquids (ILs) as entrainers is examined. ILs belongs to a new class of solvents with significant advantages over the classical organic ones. The addition of the ionic liquids in the ethanol-water mixture leads to an increase in the relative volatility of ethanol, resulting in the shift of the azeotrope to higher concentrations of ethanol and even in its elimination at higher ratios of ionic liquid/aqueous ethanol mixtures. As products from the extractive distillation, ethanol is received at the top of the column, which satisfies the purity specification, while at the bottom of the column a mixture of water/ionic liquid is obtained, which is then separated in order for the ionic liquid to be recycled to the distillation column. The proposed process is compared to a common process used to recover bioethanol, which is the atmospheric fractional distillation to obtain an azeotrope mixture of ethanol-water followed by further dehydration of the product using molecular sieve absorption to meet the purity specification of the final product in ethanol. The study of the separation processes was carried out in the Aspen Plus simulation platform. The ionic liquids examined are the 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate ([EMIM][BF4]), which is one of the first ionic liquids studied, and the 2-hydroxyethylammonium acetate (2-HEAA) that has been studied for this purpose in the Laboratory of Thermodynamics and Transports of NTUA. 2-HEAA IL as compared to others, mainly imidazolium ionic liquids, presents significant advantages such as its ease of synthesis, its biodegradability and its nontoxicity. One of the problems encountered in simulating the behavior of ionic liquids is the lack of experimental data of various properties, necessary for processes simulation. In this work, the vapor pressure and the specific heat capacity of the ionic liquid are of great significance. Especially the heat capacity is extremely important for determining the energy requirements of the process. For this reason, group contribution predictive methods for the heat capacity were considered. The results of the simulation of the bioethanol recovery processes showed that both ionic liquids can be successfully used to recover ethanol. The energy requirements of the process do not vary significantly depending on the ionic liquid used. However, the 2-HEAA is advantageous to its required amount in the extractive distillation column, which is the 25% approximately of the corresponding amount of [EMIM][BF4]. Finally, the comparison of the extractive distillation using ionic liquids process with molecular sieves adsorption process has shown that the energy requirements for the first case are about 20% lower, iv a result that makes the extractive distillation a promising alternative process which deserves further study	en
heal.advisorName	Βουτσάς, Επαμεινώνδας	el
heal.committeeMemberName	Μαγουλάς, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Τσόπελας, Φώτιος	el
heal.committeeMemberName	Βουτσάς, Επαμεινώνδας	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ). Εργαστήριο Θερμοδυναμικής και Φαινομένων Μεταφοράς	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	124 σ.
heal.fullTextAvailability	true