Εκχυλιστική απόσταξη αζεοτροπικού μίγματος αιθανόλης-νερού
σε στήλη πιλοτικής κλίμακας με χρήση του
ιοντικού υγρού 2HEAF ως συνδιαλύτη

Ερωτοκρίτου, Παναγιώτης; Erotokritou, Panagiotis

dc.contributor.author	Ερωτοκρίτου, Παναγιώτης
dc.contributor.author	Erotokritou, Panagiotis	en
dc.date.accessioned	2022-12-12T09:00:15Z
dc.date.available	2022-12-12T09:00:15Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/56412
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.24110
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	Εκχυλιστική απόσταξη	el
dc.subject	Αζεοτροπικό μίγμα	el
dc.subject	Διαχωρισμός αιθανόλης-νερού	el
dc.subject	Ιοντικά υγρά	el
dc.subject	Προσομοίωση διεργασίας	el
dc.subject	Extractive distilation	en
dc.subject	Azeotrope mixture	en
dc.subject	Ethanol-water separation	en
dc.subject	Ionic liquids	en
dc.subject	Process simulation	en
dc.title	Εκχυλιστική απόσταξη αζεοτροπικού μίγματος αιθανόλης-νερού σε στήλη πιλοτικής κλίμακας με χρήση του ιοντικού υγρού 2HEAF ως συνδιαλύτη	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Σχεδιασμός διεργασιών	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-06
heal.abstract	Η εξάντληση ορυκτών πόρων έστρεψαν το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας για έρευνα σχετικά με την παραγωγή βιοκαυσίμων στη βιομηχανία. Η βιοαιθανόλη μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πρόσθετο στη βενζίνη, αντικαθιστώντας έτσι μέρος του ορυκτού καυσίμου. Ωστόσο, για τη χρήση της βιοαιθανόλης ως πρόσθετο στη βενζίνη, απαιτείται η αφυδάτωσή της, καθώς η παρουσία νερού προκαλεί προβλήματα στη λειτουργία των κινητήρων. Επιπρόσθετα, η παρουσία νερού στα βιοκαύσιμα προκαλεί προβλήματα στην αποθήκευση και στη μεταφορά τους. Το νερό και η αιθανόλη σχηματίζουν αζεότροπο με σύσταση 95.4% κατά βάρος σε αιθανόλη, σε θερμοκρασία 78.2οC για ατμοσφαιρική πίεση. Αυτό καθιστά την πλήρη αφυδάτωση της αιθανόλης μη εφικτή με συμβατικές μεθόδους διαχωρισμού που βρίσκουν εφαρμογή στη βιομηχανία, όπως η απόσταξη. Παρόλα αυτά υπάρχουν διεργασίες παραγωγής άνυδρης αιθανόλης στη βιομηχανία. Μία πολύ διαδεδομένη μέθοδος για παραγωγή άνυδρης αιθανόλης και διαχωρισμό αζεότροπων μιγμάτων γενικότερα, είναι η διεργασία εκχυλιστικής απόσταξης. Σε αυτή τη διεργασία το μίγμα που παρουσιάζει αζεότροπο τροφοδοτείται κανονικά σε μία αποστακτική στήλη, και ένα τρίτο μη πτητικό συστατικό, εισέρχεται στη στήλη ως συνδιαλύτης στην υψηλότερη βαθμίδα, το οποίο μεταβάλλει τις πτητικότητες των συστατικών της κύριας τροφοδοσίας, με αποτέλεσμα να μην εμφανίζεται σχηματισμός του αζεότροπου. Έτσι, το αρχικό μίγμα είναι πλέον διαχωρίσιμο. Ωστόσο, πολλοί από τους συμβατικούς συνδιαλύτες που χρησιμοποιούνται σε διεργασίες εκχυλιστικής απόσταξης είναι τοξικοί για το περιβάλλον και τον άνθρωπο, και παρουσιάζουν χαμηλή βιοαποικοδομησιμότητα. Για αυτό το λόγο το ερευνητικό ενδιαφέρον στράφηκε στην εύρεση νέων συνδιαλυτών πιο φιλικών προς το περιβάλλον, για να αντικαταστήσουν τους συμβατικούς. Τα ιοντικά υγρά έχουν χαρακτηριστεί ως «πράσινοι» διαλύτες, και παράλληλα, οι ιδιότητες τους μπορούν να καθοριστούν με την επιλογή των ιόντων που χρησιμοποιούνται για σύνθεσή τους. Λόγω της ευελιξίας που παρουσιάζουν όσο αφορά τις ιδιότητές τους αλλά και της φιλικότητάς τους προς το περιβάλλον, τα ιοντικά υγρά προσέλκυσαν το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας, καθώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μεγάλο πλήθος διεργασιών. Ανάμεσα στις εφαρμογές που μπορούν να έχουν τα ιοντικά υγρά, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και ως συνδιαλύτες σε διεργασίες εκχυλιστικής απόσταξης. Σε αυτή τη διπλωματική εξετάζεται η χρήση του ιοντικού υγρού 2-υδροξυ φορμικού αιθυλαμμονίου (2HEAF) ως συνδιαλύτης σε εκχυλιστική απόσταξη αιθανόλης νερού για παραγωγή άνυδρης αιθανόλης, σε στήλη πιλοτικής κλίμακας. Αρχικά η πιλοτική στήλη χρησιμοποιείται για απόσταξη αιθανόλης νερού για διάφορους λόγους αναρροής, με σκοπό την λήψη πρωτογενών μετρήσεων που χρησιμοποιούνται για την αναπαραγωγή της πιλοτικής στήλης στο περιβάλλον του λογισμικού aspen plus. Στη συνέχεια, πραγματοποιούνται τα πειράματα εκχυλιστικής απόσταξης στην πιλοτική στήλη και ερμηνεύονται τα αποτελέσματα, ενώ εξετάζεται και η συμφωνία με τα αποτελέσματα που δίνει η προσομοίωση της στήλης στο aspen. Χρησιμοποιώντας την προσομοίωση, εξετάζεται η επίδραση που έχουν κάποιες λειτουργικές παράμετροι στη διεργασία, συγκεκριμένα ο λόγος αναρροής, ο λόγος ρεύματος 2HEAF προς την τροφοδοσία, και η περιεκτικότητα της τροφοδοσίας σε αιθανόλη. Σε πείραμα εκχυλιστικής απόσταξης με το 2HEAF ως συνδιαλύτη λήφθηκε απόσταγμα καθαρότητας 98% σε αιθανόλη, με λόγο αναρροής 8, λόγο παροχής συνδιαλύτη προς τροφοδοσία ίσο με 1:2 ως προς τις ογκομετρικές ροές τους, και αρχική περιεκτικότητα τροφοδοσίας σε αιθανόλη ίση με 90% κ.β, καθώς αυτή είναι μια τυπική τιμή καθαρότητας του προϊόντος απόσταξης αιθανόλη. Με τροφοδοσία περιεκτικότητας 8% κ.β σε αιθανόλη, που είναι ελαφρώς ευνοϊκότερη από την περιεκτικότητα σε αιθανόλη του προϊόντος ζύμωσης γλυκού σόργου (4-7% κ.β ενδεικτική τιμή) που χρησιμοποιείται στη βιομηχανία για διαχωρισμό , τα αποτελέσματα που λαμβάνονται δεν είναι τόσο καλά , καθώς το απόσταγμα είχε περιεκτικότητα σε αιθανόλη 90.1% σε γραμμομοριακή βάση. Ωστόσο, και πάλι η καθαρότητα αποστάγματος είναι μεγαλύτερη από το σημείο του αζεοτρόπου. Επισημαίνεται ότι για την εκτέλεση των πειραμάτων χρησιμοποιήθηκε μίγμα που περιείχε αποκλειστικά αιθανόλη και νερό, σε αντίθεση με το προϊόν ζύμωσης γλυκού σόργου που τυπικά περιέχει μία ποσότητα κυτταρίνης, ημικυτταρίνης, αναγωγικών ομάδων, και οξικού οξέος. Μόνη επίδραση που θα μπορούσε να έχει η παρουσία αυτών των προσμίξεων στα πειράματα που διεξήχθησαν, είναι η μεγαλύτερη θερμοκρασία του πυθμένα λόγω του οξικού οξέος. Η μέτρηση της σύστασης του προϊόντος κορυφής της στήλης έγινε μετρώντας την πυκνότητά του, και χρησιμοποιώντας καμπύλη αναφοράς που κατασκευάστηκε από μετρήσεις πυκνότητας πρότυπων διαλυμάτων αιθανόλης νερού, που παρασκευάστηκαν στο εργαστήριο ΕΘΦΜ. Όσο αφορά την προσομοίωση στο λογισμικό aspen plus χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος Uniquac για υπολογισμό θερμοδυναμικών ιδιοτήτων, καθώς υπολογίζει με ακρίβεια ισορροπίες φάσεων υγρού ατμού για μη ιδανικά μίγματα, όπως είναι το δυαδικό μίγμα αιθανόλης-νερού. Παράμετροι Uniquac για το ιοντικό υγρό 2ΗΕΑF υπολογίστηκαν από ερευνητές στο εργαστήριο ΕΘΦΜ, τόσο για καθαρό συστατικό όσο και για τις δυαδικές παραμέτρους αλληλεπίδρασης με αιθανόλη κα νερό. Το ιξώδες του 2HEAF έχει επίσης υπολογιστεί από ερευνητές του εργαστηρίου ΕΦΘΜ από μελέτη στο εργαστήριο ΕΦΘΜ, και επιπρόσθετα για τους σκοπούς της προσομoίωσης χρησιμοποιήθηκαν τιμές πυκνότητας και θερμοχωρητικότητας του 2HEAF που υπολογίστηκαν από τη μέθοδο συνεισφοράς Joback. Από την εξέταση λειτουργικών παραμέτρων στο περιβάλλον της προσομοίωσης προέκυψαν τα εξής συμπεράσματα: - Η περιεκτικότητα της αρχικής τροφοδοσίας σε αιθανόλη έχει αμελητέα επίδραση στην καθαρότητα κορυφής της στήλης. - Με λόγο ρευμάτων 2HEAF προς τροφοδοσία ίσο με 0.3 κ.β επιτυγχάνεται παραγωγή άνυδρης αιθανόλης, ακόμη και με χαμηλούς λόγους αναρροής. Τέλος, επισημαίνεται ότι στα πειράματα εκχυλιστικής απόσταξης στην πιλοτική στήλη, υπάρχει σημαντική απόκλιση στις καθαρότητες κορυφής για την περίπτωση που χρησιμοποιείται τροφοδοσία χαμηλής περιεκτικότητας σε αιθανόλη. Αυτό μπορεί να οφείλεται στη μη σωστή λειτουργία του επιπλέων δίσκου τροφοδοσίας (κακή ισορροπία φάσεων), και στους μεγάλους χρόνους που απαιτούνται για επίτευξη μόνιμων συνθηκών.	el
heal.abstract	Since fossil fuels are becoming less available with time, biofuels and renewable forms of energy attracted a lot of interest from researchers in associated fields. Bioethanol can be used as an additive in gasoline, thus replacing the use of conventional finite energy sources. However, high degree dehydration of ethanol is required for such application, since water presence causes functionality problems in car engines, while simultaneously humidity causes issues in biofuel storage and transport. The binary mixture consisting of water and ethanol, forms an azeotrope, with 95.4% ethanol content at 78.2oC temperature and atmospheric pressure. Thus, the separation of such mixture can’t be achieved by conventional industrial separation processes, like distillation. However, there is a number of methods used for anhydrous ethanol production and azeotrope mixture separation in industry. A broadly method used for such applications is the extractive distillation process. In this process, the feed mixture enters a distillation column, and a separate nonvolatile solvent enters simultaneously at the top column stage. The intermolecular interactions between the solvent and the feed components change volatilities of the initial feed. Thus, the separation of the feed mixture becomes achievable in the distillation column. Despite the popularity of the extractive distillation, many conventional solvents used for this application are toxic for the environment and humans, while simultaneously present low biodegradability. Therefore, researchers turned their interest in the study of new, more friendly to the environment solvents, to replace the conventional ones. Ionic liquids have been characterized as “green” solvents, and their thermodynamic properties can be adjusted by choosing the right reagents for their synthesis. Because of their tunability and “green” character, studies around ionic liquids have increased exponentially during last years, since ionic liquids can be used in a variety of applications, including the use as a solvent in extractive distillation processes. This study examines the use of the ionic liquid 2-hydroxyethylammonium formate (2HEAF) as solvent in extractive distillation for the production of anhydrous ethanol, in a pilot scale column. Initially, the pilot column is used for simple ethanol-water column for different reflux ratios, in order to obtain experimental data and use it to replicate the column in aspen plus software environment. Then, the extractive distillation experiments for anhydrous ethanol production were performed, and the results were analyzed. The experimental results are compared with the simulation outcome, and the simulation is used to examine the effect that reflux ratio, 2HEAF to feed ratio, and feed ethanol content have on the process. On the extractive distillation experiment, a distillate of 98% w/w ethanol purity was collected. For that experiment, a reflux ratio of 8 was used, the solvent to feed ratio was 1:2 (based on volumetric flow rates), and a water-ethanol mixture with 90% mass basis ethanol content was used as feed (typical purity of ethanol-water distillate without the usage of a solvent). When an 8% mass basis ethanol content feed was used, which is a slightly more beneficial from the sweet sorghum fermentation product (4-7% ethanol mass basis), the results were not as good, since distillate ethanol content was 90.1% on a molar basis. However, this value is still higher from the azeotrope point. It should be noted that in unlike the sweet sorghum fermentation product which contains acetic acid, cellulose, hemicellulose, and reductive compounds, distillate feed used in experiments for this study are made exclusively from water and ethanol. The only noticeable effect those impurities could have if they were present during the experiment, would be a higher bottom temperature due to the acetic acid content. Distillate purity was calculated by measuring its density and using a calibration curve created with ethanol-water binary standards produced in ΕΘΦΜ lab. As for the aspen plus simulation, the Uniquac method was used, since it can accurately calculate gas-liquid equilibriums for non-ideal mixtures, like the ethanol-water binary mixture. The Uniquac parameters for HEAF were found from ΕΦΘΜ researchers, both for pure component and the binary interaction parameters with water and ethanol. Additionally, 2HEAF viscosity data found from research in ΕΦΘΜ lab was used for the simulation, while density and heat capacity data for 2HEAF was estimated using the Joback group contribution method. Using the aspen plus simulation, the following were concluded after examining the effect different operation parameters have on the process: - Feed ethanol content has insignificant effect on distillate purity - With a 2HEAF to feed mass ratio of 0.3, anhydrous ethanol production is achieved, even with low reflux ratios. Lastly, it should be noted that there is a significant difference between the experimental distillate purity and the corresponding simulation result when low ethanol content feed is used. An explanation for this phenomenon, could be the large time requirement for steady state column operation conditions.	en
heal.advisorName	Βουτσάς, Επαμεινώνδας	el
heal.committeeMemberName	Βουτσάς, Επαμεινώνδας	el
heal.committeeMemberName	Κακάλη, Γλυκερία	el
heal.committeeMemberName	Μαγουλάς, Κωνσταντίνος	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	82 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false