Pinch-based Methods for Absorption and Extraction Process and Solvent Screening

Produktbeschreibung

Kurzfassung

In dieser Dissertation werden neue Näherungsverfahren für die Auslegung von Absorptions- und Extraktionskolonnen vorgestellt. Für die vereinfachte Auslegung wird ein energieeffizienter Betriebspunkt angestrebt, wofür sogenannte Pinch-Punkte herangezogen werden, die in Gegenstrom-Apparaten stets bei verschwindender thermodynamischer Triebkraft auftreten. Analogien zwischen Pinch-Punkten und sogenannten Fixpunkten nichtlinearer, dynamischer Systeme werden ausgenutzt, um erstmalig das Pinchbasierte Modell für allgemeine Gegenstromkolonnen mathematisch fundiert herzuleiten. Hieraus folgt dann konsequent die Anwendung für adiabate Absorptionskolonnen und isotherme Extraktionskolonnen. Die neuen Modelle weisen dabei einen kleineren Approximationsfehler auf als etablierte Näherungsverfahren, die nicht auf Pinch-Punkten beruhen. Außerdem erlaubt die hergeleitete mathematische Formulierung sogar die systematische Verbesserung der Schätzung bis zur Genauigkeit der rigorosen Lösung, womit ebenso der Übergang von der Pinch-basierten Schätzung zur rigorosen Lösung erstmalig aufgezeigt wird. Ein wesentlicher Baustein der neuen Methoden ist die automatisierte Auswertung durch die Entwicklung geeigneter Initialisierungsstrategien. Nicht nur Extraktions- und Absorptionskolonnen können so zuverlässig ausgewertet werden, sondern sogar komplexe Prozesse bestehend aus mehreren Trennapparaten unter Berücksichtigung von Wärmeintegration sowie Betriebspunktoptimierung. Das Potential der neuen Methoden wird anhand eines automatisierten Screenings von mehreren Tausend Lösungsmitteln für Absorptionsund Extraktionsprozesse veranschaulicht. Drei Fallstudien werden untersucht: Zwei Fallstudien behandeln Absorptionsprozesse, zum einen für die Abtrennung von Kohlenstoffdioxid und zum anderen für die Abtrennung von Dimethyl ether jeweils aus Gasgemischen, und eine Fallstudie einen Extraktionsprozess für die Abtrennung von Aceton, Butanol und Ethanol aus wässrigem Medium. Identifiziert werden neue, energieeffiziente Lösungsmittel und die zugehörigen optimierten Prozesse.

Contents

1. Introduction 1
1.1. Conceptual process design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1. Identification of alternatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.2. Rigorous models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.3. Optimization techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2. The pinch-based design approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3. Scope of this thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4. Outline and structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5. Previous publication of results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2. Pinch-based shortcut method for the design of adiabatic absorption
columns 21
2.1. Comparison of rigorous and established shortcut model . . . . . . . . . . 22
2.1.1. Rigorous model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.2. Established shortcut models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2. Pinch-based shortcut model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.1. Basic model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.2. Improved shortcut model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3. Analysis of the shortcut model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.1. Stable pinch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.2. Saddle-node pinch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.3. Saddle pinch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.4. Improved shortcut model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.4. Solution of the shortcut model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4.1. Identification of feasible initial solution . . . . . . . . . . . . . . 41
2.4.2. Continuation of the shortcut model . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5. Ilustrating case studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.6. Screening of solvents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.7. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3. Pinch-based shortcut method for the design of isothermal extraction
columns 59
3.1. Shortcut model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2. Solution of the shortcut model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2.1. Reduced shortcut model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.2.2. Initial solutions for the continuation . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.2.3. Results of the basic shortcut model . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.2.4. Results of the improved shortcut model . . . . . . . . . . . . . . 80
3.3. Screening of solvents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.4. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4. Pinch-based solvent screening for absorption and extraction processes 90
4.1. Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.1.1. Identification of solvent candidates . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.1.2. Estimation of thermodynamic data . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.1.3. Pinch-based methods for rectification columns . . . . . . . . . . 95
4.1.4. Pinch-based heat integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.1.5. Optimization of pinch-based processes . . . . . . . . . . . . . . 97
4.1.6. Flowsheet evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.2. Illustrating case study 1: Carbon dioxide absorption process . . . . . . . 101
4.2.1. Screening of solvents for a specified operating point . . . . . . . 103
4.2.2. Screening of solvents for an optimized operating point . . . . . . 106
4.2.3. Exemplary results for the solvent 2-butanone . . . . . . . . . . . 110
4.3. Case study 2: Dimethyl ether absorption process . . . . . . . . . . . . . . 114
4.4. Case study 3: Acetone-butanol-ethanol extraction process . . . . . . . . . 124
4.5. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5. Software 137
6. Recommendations for further research 143
6.1. Solving shortcut models by global optimization techniques . . . . . . . . 144
6.2. Robust optimization-based design of rigorous models . . . . . . . . . . . 146
6.3. Integrating diffusion limitations in pinch-based methods . . . . . . . . . 150

7. Conclusions 157
Appendix 158
A. General linear approximate solution of the stage-to-stage recurrence 159
B. Thermodynamic models 163
C. Non-equilibrium model 165
Bibliography 173

Keywords: Pinched-based, Methods, Extraction, Process, Solvent, Screening, Pinched-based, Methods, Extraction, Process, Solvent, Screening