Generalised model for heteroazeotropic batch distillation with variable decanter hold-up

A general model of batch heteroazeotropic distillation is proposed. Both liquid phases present in the decanter can be refluxed or withdrawn as distillate, their hold-up can be increased, decreased or kept constant, as well. By assuming maximal separation, that is, that the composition of the condensate always equals to that of the heteroazeotrope, the still path equation was derived. The still path directions are determined for all the 16 possible operational policies. It is possible to steer the still path in a desired direction by changing the operational parameters, which allows the recovery of a pure component in the still. The still path directions are validated by rigorous simulations for three policies not published yet using the mixture water – formaldehyde – propyl formate. From the 16 operational policies, 11 can be considered as useful in practice. To demonstrate the advantage of using a non-traditional policy, the separation of the mixture aniline – ethylene glycol – water was investigated, as well. By using a non-traditional operational policy with hold-up reduction in the decanter a higher purity of ethylene glycol was obtained in the still

On the integration of reaction and separation in a batch extractive distillation column with a middle vessel

In this work, the integration of reaction and separation in a batch extractive distillation column with a middle vessel/reactor is analyzed for azeotrope-forming mixtures. This equipment configuration has the potential to promote the complete conversion of reactants; therefore, the main process characteristics are investigated. A mixture showing several azeotropes and involving an esterification reaction was selected as an academic example. The first part of the paper deals with the phase-equilibrium analysis of the mixture. The nodes (pure components and azeotropes) and the distillation regions of the multicomponent mixture are obtained. The analysis of the topology of the residue-curve map is used to select one of the reagents as entrainer. Feasibility of the combined operation is studied based on the phase-equilibrium analysis and the investigation of the feasible cuts at infinite separation power. The second part of the contribution focuses on the different steps of the process. The influence of operating and process parameters on the operation performance is studied with the aid of a process simulator. Physical explanations are given for the results. Results show the advantages of integrating reaction and separation to enhance both reagents conversion and product separation.Fil: Espinosa, Hector Jose Maria. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo y Diseño. Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional Santa Fe. Instituto de Desarrollo y Diseño; Argentin

Enhanced separation of azeotropic mixtures by ultrasound-assisted distillation process

The main objective of this study is to develop an ultrasound-assisted distillation process that can break minimum boiling azeotropes under various operating conditions for enhancing the effectiveness of distillation processes in providing solution to high purity separation requirement. As a case study, ethanol/ethyl acetate (ETOH/ETAC) separation process was considered. The effect of both intensity and frequency of the ultrasonic waves on the vapor–liquid equilibrium (VLE) of this system was experimentally studied. The sonication was found to affect the VLE significantly in a way which led to an alteration in the relative volatility and a complete elimination of the azeotropic point, with the preference towards a combination of low frequency and high intensity operation. A mathematical model describing the system was developed based on conservation principles, VLE of the system and sonication effects. The model, which took into account a single-stage VLE system enhanced with ultrasonic waves, was coded using the Aspen Custom Modeler. The effects of ultrasonic waves on the relative volatility and azeotropic point were examined and the experimental data were successfully used in validating the model with a reasonable accuracy. The mathematical model was exported to the Aspen Plus to form a model that represents the sonication equilibrium stages, which were connected serially to configure an ultrasound-assisted distillation (UAD) process for separation of ETOH/ETAC mixture. The simulation results revealed that ETAC can be recovered from the azeotropic mixture with a purity of 99 mol% using 27 sonication stages. To validate the suitability of UAD process for separation of other minimum boiling azeotropes, separation of other mixtures were tested such as ethanol/water, methanol/methyl acetate and nbutanol/ water. The developed model was found to have some limitations with respect to separation of maximum boiling azeotropes

Nouveaux systèmes de double colonne pour distillation hétéroazéotropique discontinue

J'ai étudié deux nouvelles configurations de double-colonne pour distillation hétéroazéotropique. Ces configurations sont appropriées à la récupération simultanée des composants des mélanges binaires hétéroazéotropiques et homoazéotropiques (en utilisant un tiers corps (entraîneur)). Elle sont opérées en système fermé, c'est-à-dire, il n'y a pas de soutirage de produit continu. D'abord, en appliquant un modèle simplifié, j'ai étudié la faisabilité de la séparation d'un mélange hétéroazéotropique (1-butanol eau), puis celle d'un mélange homoazéotropique (2-propanol eau) aidé par entraîneur benzène ou cyclohexane, en utilisant le SDC. Puis, j'ai étudié cette configuration par modélisation rigoureuse, en appliquant le simulateur dynamique du logiciel professionnel ChemCAD (CC-DColumn). J'ai comparé la nouvelle configuration avec le RD, sur la base des résultats obtenus par toutes les deux méthodes d'étude. Le SDC s'est avéré faisable et compétitif avec le RD : pendant la même durée ou plus courte, les rendements des composants ont été plus élevés. Puis, on a étendu le SDC à un système plus flexible (système de double-colonne généralisé, SDCG) qui est approprié à la séparation des mélanges binaires homoazéotropiques aidé par entraîneur (en le cas présent : cyclohexane ou n-hexane). J'ai étendu la méthode de faisabilité aussi à l'étude de cette configuration. Le SDCG s'est avéré aussi faisable. En appliquant modélisation rigoureuse, j'ai étudié les effets des nouveaux paramètres opératoires sur la durée, et j'ai comparé le DCG avec le SDC. Le SDCG s'est avéré encore plus avantageux que le SDC : la durée a été plus courte, et les besoins spécifiques d'énergie des produits ont été plus bas. J'ai étudié le SDC et le SDCG aussi par des manipulations exécutées sur installations de taille laboratoire et pilote. D'abord, j'ai fait des manipulations laboratoires pour la séparation du mélange binaire hétéroazéotropique, en utilisant une installation en verre qui a été opérée aussi comme RD et SDC. Le SDC s'est avéré faisable et compétitif avec le RD aussi sur la base des résultats de ces manipulations : pendant la même durée, les rendements des tous les deux composants ont été plus élevés. Puis, en utilisant l'installation pilote comme SDC, j'ai étudié la séparation ci-dessus. Après cette manipulation, j'ai étudié la séparation du mélange binaire homoazéotropique en appliquant n-hexane comme entraîneur, en opérant le système comme RD et SDCG. La manipulation faite avec le SDCG a montré que la production simultanée de deux composants est faisable avec cette configuration.Distillation is the method the most frequently applied for the separation of liquid mixtures, e.g. for the recovery of the components of the waste solvent mixtures. Because of the high energy demand of these processes the optimal design and operation of the distillation equipments are important from economic and also environmental points of view. The separation of the azeotropic mixtures needs special distillation methods like heteroazeotropic distillation. In the pharmaceutical and fine chemical industries it is often applied in batch mode. The aims of the thesis are to study the feasibility of a new Double-Column System (DCS) for batch heteroazeotropic distillation and to compare it with the traditional Batch Rectifier (BR) equipped with a decanterto study the above configurations by rigorous simulationto extend the DCS (Generalised Double-Column System, GDCS) and to study this new configuration by the above methodsto do laboratory experiments for both configurations in order to prove the feasibility of the separation and validate the calculations, respectively. Two new double-column configurations for batch heteroazeotropic distillation were studied. These configurations are designed to produce simultaneously the components of binary heteroazeotropic and homoazeotropic mixtures (by using an entrainer). They are operated in closed system (without continuous product withdrawal). First the feasibility of the separation of a heteroazeotropic mixture (1-butanol water) and that of a homoazeotropic one by using an entrainer (isopropanol water + benzene or cyclohexane) in the DCS were investigated by a simplified model. Then the operation of this configuration was modelled by rigorous simulation by using the dynamic simulator of the professional flowsheet simulator ChemCAD (CC-DColumn). On the basis of the results obtained by both methods the new configuration was compared with the BR. The DCS proved to be feasible and competitive with the BR: during the same or shorter time the recoveries of the components were higher. Then the DCS was extended to a more flexible version (Generalised Double-Column System, GDCS), which is suitable for the separation of binary homoazeotropic mixtures (by using an entrainer, in this work: cyclohexane or n- exane). The feasibility method was extended for the study of this configuration, as well. The GDCS proved to be feasible. Then the effects of its additional operational parameters on the duration were studied by rigorous simulation. The GDCS was compared with the DCS by rigorous simulation, as well. The GDCS proved to be more advantageous than the DCS: the duration was shorter and the specific energy demands of the products were lower. The DCS and GDCS were also investigated by laboratory and pilot plant experiments. First laboratory experiments were done for the separation of the binary heteroazeotropic mixture in a simple small size glass equipment operated as BR and DCS. The DCS proved to be feasible and competitive with the BR also on the basis of the results of these experiments: during the same time the recovery of both components were higher. Then a pilot plant was used for the same separation as a DCS. After this experiment the separation of the binary homoazeotropic mixture by using n-hexane as entrainer was studied in the equipment operated as BR and GDCS. The experiment showed that the simultaneous production of two components is feasible also in the GDCS.TOULOUSE-INP (315552154) / SudocSudocFranceF

New Double-Column Systems for Batch Heteroazeotropic Distillation

J'ai étudié deux nouvelles configurations de double-colonne pour distillation hétéroazéotropique. Ces configurations sont appropriées à la récupération simultanée des composants des mélanges binaires hétéroazéotropiques et homoazéotropiques (en utilisant un tiers corps (entraîneur)). Elle sont opérées en système fermé, c'est-à-dire, il n'y a pas de soutirage de produit continu. D'abord, en appliquant un modèle simplifié, j'ai étudié la faisabilité de la séparation d'un mélange hétéroazéotropique (1-butanol – eau), puis celle d'un mélange homoazéotropique (2-propanol – eau) aidé par entraîneur benzène ou cyclohexane, en utilisant le SDC. Puis, j'ai étudié cette configuration par modélisation rigoureuse, en appliquant le simulateur dynamique du logiciel professionnel ChemCAD (CC-DColumn). J'ai comparé la nouvelle configuration avec le RD, sur la base des résultats obtenus par toutes les deux méthodes d'étude. Le SDC s'est avéré faisable et compétitif avec le RD : pendant la même durée ou plus courte, les rendements des composants ont été plus élevés. Puis, on a étendu le SDC à un système plus flexible (système de double-colonne généralisé, SDCG) qui est approprié à la séparation des mélanges binaires homoazéotropiques aidé par entraîneur (en le cas présent : cyclohexane ou n-hexane). J'ai étendu la méthode de faisabilité aussi à l'étude de cette configuration. Le SDCG s'est avéré aussi faisable. En appliquant modélisation rigoureuse, j'ai étudié les effets des nouveaux paramètres opératoires sur la durée, et j'ai comparé le DCG avec le SDC. Le SDCG s'est avéré encore plus avantageux que le SDC : la durée a été plus courte, et les besoins spécifiques d'énergie des produits ont été plus bas. J'ai étudié le SDC et le SDCG aussi par des manipulations exécutées sur installations de taille laboratoire et pilote. D'abord, j'ai fait des manipulations laboratoires pour la séparation du mélange binaire hétéroazéotropique, en utilisant une installation en verre qui a été opérée aussi comme RD et SDC. Le SDC s'est avéré faisable et compétitif avec le RD aussi sur la base des résultats de ces manipulations : pendant la même durée, les rendements des tous les deux composants ont été plus élevés. Puis, en utilisant l'installation pilote comme SDC, j'ai étudié la séparation ci-dessus. Après cette manipulation, j'ai étudié la séparation du mélange binaire homoazéotropique en appliquant n-hexane comme entraîneur, en opérant le système comme RD et SDCG. La manipulation faite avec le SDCG a montré que la production simultanée de deux composants est faisable avec cette configuration. ABSTRACT : Distillation is the method the most frequently applied for the separation of liquid mixtures, e.g. for the recovery of the components of the waste solvent mixtures. Because of the high energy demand of these processes the optimal design and operation of the distillation equipments are important from economic and also environmental points of view. The separation of the azeotropic mixtures needs special distillation methods like heteroazeotropic distillation. In the pharmaceutical and fine chemical industries it is often applied in batch mode. The aims of the thesis are to study the feasibility of a new Double-Column System (DCS) for batch heteroazeotropic distillation and to compare it with the traditional Batch Rectifier (BR) equipped with a decanter to study the above configurations by rigorous simulation to extend the DCS (Generalised Double-Column System, GDCS) and to study this new configuration by the above methods to do laboratory experiments for both configurations in order to prove the feasibility of the separation and validate the calculations, respectively. Two new double-column configurations for batch heteroazeotropic distillation were studied. These configurations are designed to produce simultaneously the components of binary heteroazeotropic and homoazeotropic mixtures (by using an entrainer). They are operated in closed system (without continuous product withdrawal). First the feasibility of the separation of a heteroazeotropic mixture (1-butanol – water) and that of a homoazeotropic one by using an entrainer (isopropanol – water + benzene or cyclohexane) in the DCS were investigated by a simplified model. Then the operation of this configuration was modelled by rigorous simulation by using the dynamic simulator of the professional flowsheet simulator ChemCAD (CC-DColumn). On the basis of the results obtained by both methods the new configuration was compared with the BR. The DCS proved to be feasible and competitive with the BR: during the same or shorter time the recoveries of the components were higher. Then the DCS was extended to a more flexible version (Generalised Double-Column System, GDCS), which is suitable for the separation of binary homoazeotropic mixtures (by using an entrainer, in this work: cyclohexane or n- exane). The feasibility method was extended for the study of this configuration, as well. The GDCS proved to be feasible. Then the effects of its additional operational parameters on the duration were studied by rigorous simulation. The GDCS was compared with the DCS by rigorous simulation, as well. The GDCS proved to be more advantageous than the DCS: the duration was shorter and the specific energy demands of the products were lower. The DCS and GDCS were also investigated by laboratory and pilot plant experiments. First laboratory experiments were done for the separation of the binary heteroazeotropic mixture in a simple small size glass equipment operated as BR and DCS. The DCS proved to be feasible and competitive with the BR also on the basis of the results of these experiments: during the same time the recovery of both components were higher. Then a pilot plant was used for the same separation as a DCS. After this experiment the separation of the binary homoazeotropic mixture by using n-hexane as entrainer was studied in the equipment operated as BR and GDCS. The experiment showed that the simultaneous production of two components is feasible also in the GDCS

Direct search methods for the fast optimisation of batch distillation processes

Batch distillation can be conveniently modelled by professional flow-sheet simulators. Optimisation can be performed by coupling an external optimiser to the simulator. The most frequently used method is the genetic algorithm (GA), which, however, requires a high number of simulations to evaluate the objective function. Two direct search methods, the Nelder-Mead simplex and the Box-complex algorithms are applied to reduce the computational intensity of optimisation. Calculations are performed for a case study from the literature where the profit of the regeneration of a multicomponent azeotropic waste solvent mixture was maximised by a GA. The influence of the parameters of the optimisation methods is investigated for each method. The highest profit is reached by the simplex algorithm. Both the simplex and complex algorithms generally outperform GA with a much lower number of simulations. Therefore, direct search methods can be used for fast and efficient optimisation of batch distillation processes

Improvement of Batch Distillation Separation of Azeotropic Mixtures

La distillation est le procédé de séparation le plus répandu dans l'industrie chimique. Pour la séparation des mélanges azéotropiques, une méthode spéciale de distillation doit être appliquée. Le but de mon travail était d'améliorer la séparation des mélanges azéotropiques par distillation discontinue (DD). Un nouvel algorithme a été présenté pour la détermination de la séquence des produits de DD pour des mélanges multicomposants azéotropiques. Contrairement aux méthodes publiées précédemment, cet algorithme n'a pas besoin des paramètres d'équilibre. Configurations non-conventionnelles de DD ont été étudiées par simulation rigoureuse avec un accent sur l'opération fermée. Nombreux modes d'opération fermés étaient proposés, lesquelles diffèrent en l'opération de réservoir supérieur. Les effets du recyclage des fractions sur un procédé de séparation existant de 6 lots d'un mélange déchet azéotropique ont été étudiés. Les études ont été étendues pour un procédé de distillation extractive discontinue (DED). Un volume minimal de pré-fraction doit être incinéré. Le cas optimal de DED a donné un profit plus grand que celui de DD. DED a été étudié pour la séparation des deux mélanges azéotropiques. La séparation a été infaisable ou le rendement a été bas par DD, mais DED et le procédé hybride ont donné des rendements élevés. Une nouvelle politique de DED a été aussi proposée. Un modèle généralisé de la distillation hétéroazéotropique discontinue avec une rétention variable de décanteur a été développé. Dans une analyse de faisabilité, toutes les politiques opérationnelles possibles ont été identifiées. Ce modèle a été étendu pour la distillation extractive hétérogène discontinue. ABSTRACT : Distillation is the most widespread method for separating liquid mixtures. The separation of azeotropic mixtures requires a special distillation method. My aim was to improve the batch distillation separation of azeotropic mixtures. A new algorithm was presented for the determination of product sequences of batch distillation of multicomponent azeotropic mixtures. Non-conventional configurations were studied by simulation with emphasis on closed operation. The effects of off-cut recycle on a six-batch separation process of a waste solvent mixture were also investigated. Batch extractive distillation was studied for the separation of two azeotropic mixtures. A new extractive policy was also proposed. A generalised model of batch heteroazeotropic distillation with variable decanter hold-up was developed. This model was extended for batch heterogeneous extractive distillation

Contribuición al estudio de la operación de destilación discontinua mediante simulación

El treball presentat en aquesta tesi pretén contribuir a l'estudi mediambiental de la limitació de les emissions de components orgànics volàtils (VOCs), degudes a l'ús de dissolvents orgànics en determinades activitats i instal·lacions industrials, mitjançant la tècnica de la destil·lació discontinua o batch. Amb aquest objectiu s'ha treballat amb un model matemàtic senzill, basat en els balanços de matèria i en les relacions d'equilibri líquid-vapor, que permeti d'una forma ràpida predir la separació per destil·lació batch de mescles líquides de VOCs. El llenguatge de programació utilitzat ha estat el Fortran 77. Per a poder comprovar la bondat del model en diversos escenaris i la seva eventual millora i validació, s'ha realitzat el muntatge i la posta a punt d' una planta pilot de destil·lació batch.El model s'ha aplicat en primer lloc a la simulació d'una mescla binària (metanol-aigua), per a poder estudiar el seu comportament en la predicció de la separació per destil·lació batch dels components. Les simulacions realitzades amb el model s'han comparat amb els experiments realitzats en la planta pilot i amb el simulador comercial Batchsim de Pro/II. La mescla metanol-aigua s'ha escollit especialment per a realitzar la posta a punt de la planta pilot, on la mescla citada és la primera que s'experimenta en la planta. Després d'estudiar la mescla binària, el model s'ha aplicat a una mescla ternària (ciclohexà toluè-clorobenzè). Els resultats obtinguts mitjançant la simulació del model s'han comparat amb els experiments realitzats en la planta pilot i amb el simulador Batchsim de Pro/II, per poder estudiar la capacitat de predicció del model a escala industrial.Una vegada estudiat el model i la seva validació per a mescles reals sense azeòtrop, el següent pas ha estat estudiar si el model és capaç de predir el comportament de mescles azeotròpiques binàries. Així, el model s'ha aplicat a un azeòtrop binari de mínim punt d' ebullició (toluè-n-butanol). A l'igual que en les mescles anteriors estudiades, els resultats obtinguts per simulació amb la mescla azeotròpica s'han comparat amb els resultats experimentals obtinguts en la planta pilot i amb el simulador Batchsim de Pro/II.En l'última part del treball s'estudia la resolució de l'azeòtrop toluè-n-butanol mitjançant l' addició d' n-octanol. Els resultats obtinguts per simulació es comparen amb els obtinguts experimentalment i amb el simulador Batchsim de Pro/II.Després d'estudiar l'aplicació del model senzill a les diferents mescles, es pot concloure que el model utilitzat és una eina útil i vàlida que permet estudiar la separació de mescles binàries i multicomponents per destil·lació batch, així como mescles azeotròpiques binàries. Permet col·laborar en la reutilització de compostos orgànics volàtils, com els dissolvents, i en l'estudi de descàrrega zero en les indústries químiques de procés discontinu, en especial en el sector de la química fina. Aquestes indústries han de disposar de models senzills i de resposta ràpida, com el presentat en aquesta tesi, per poder fer front a les normatives ambientals cada vegada més estrictes.Per altra banda, les característiques del model el fan apropiat per al càlcul del temps d' operació de separació per destil·lació batch, en programes de seqüenciació òptima d' operacions de processos batch. Els programes informàtics realitzats en aquesta tesi pretenen contribuir a la resolució de problemes de programació d'operacions (scheduling), dins de la planificació de la producció (planning) de plantes discontinues.El trabajo presentado en esta tesis pretende contribuir al estudio medioambiental de la limitación de las emisiones de componentes orgánicos volátiles (VOCs), debidas al uso de disolventes orgánicos, en determinadas actividades e instalaciones industriales, mediante la técnica de la destilación discontinua o batch. Para ello se ha trabajado con un modelo matemático sencillo, basado en los balances de materia y en las relaciones de equilibrio líquido-vapor, que permita de una forma rápida predecir la separación por destilación batch de mezclas líquidas de VOCs. El lenguaje de programación utilizado ha sido el Fortran 77. Para poder comprobar la bondad del modelo en diversos escenarios y su eventual mejora y validación, se ha realizado el montaje y la puesta a punto de una planta piloto de destilación batch.El modelo se ha aplicado en primer lugar a la simulación de una mezcla binaria (metanol-agua), para poder estudiar su comportamiento en la predicción de la separación por destilación batch de los componentes. Las simulaciones realizadas con el modelo se han comparado con los experimentos realizados en la planta piloto y con el simulador comercial Batchsim de Pro/II. La mezcla metanol-agua se ha escogido especialmente para realizar la puesta a punto de la planta piloto, donde dicha mezcla es la primera que se experimenta en la planta. Después de estudiar la mezcla binaria, el modelo se ha aplicado a una mezcla ternaria (ciclohexano-tolueno-clorobenceno). Los resultados obtenidos mediante la simulación del modelo se han comparado con las experiencias realizadas en la planta piloto y con el simulador Batchsim de Pro/II, para poder estudiar la capacidad de predicción del modelo a escala industrial.Una vez estudiado el modelo y su validación para mezclas reales sin azeótropo, el siguiente paso ha sido estudiar si el modelo es capaz de predecir el comportamiento de mezclas azeotrópicas binarias. Para ello, el modelo se ha aplicado a un azeótropo binario de mínimo punto de ebullición (tolueno-n-butanol). Al igual que en las mezclas anteriores estudiadas, los resultados obtenidos por simulación con la mezcla azeotrópica se han comparado con los resultados experimentales obtenidos en la planta piloto y con el simulador Batchsim de Pro/II.En la última parte del trabajo se estudia la resolución del azeótropo tolueno-n-butanol mediante la adición de n-octanol. Los resultados obtenidos por simulación se comparan con los obtenidos experimentalmente y con el simulador Batchsim de Pro/II.Después de estudiar la aplicación del modelo sencillo a las distintas mezclas, se puede concluir que el modelo utilizado es una herramienta útil y válida que permite estudiar la separación de mezclas binarias y multicomponentes por destilación batch, así como mezclas azeotrópicas binarias. Permite colaborar en la reutilización de compuestos orgánicos volátiles, como los disolventes, y en el estudio de descarga cero en las industrias químicas de proceso discontinuo, en especial en el sector de química fina. Estas industrias deben disponer de modelos sencillos y de respuesta rápida, como el presentado en esta tesis, para poder hacer frente a las normativas ambientales cada vez más estrictas.Por otro lado, las características del modelo lo hacen apropiado para el cálculo de tiempos de operación de separación por destilación batch, en programas de secuenciación óptima de operaciones de procesos batch. Los programas informáticos realizados en esta tesis pretenden contribuir a la resolución de problemas de programación de operaciones (scheduling), dentro de la planificación de la producción (planning) de plantas discontinuas.The work presented in this thesis pretends to be a contribution to the environmental study of the limitation of the emissions from volatile organic compounds (VOCs), due to the use of organic solvents, in certain activities and industrial installations, by discontinuous or batch distillation.A simplified mathematic model based on mass balances and vapor-liquid equilibrium has been used to predict the separation of liquid mixtures of VOCs by batch distillation. The model has been implemented in Fortran 77. A pilot plant of batch distillation has been constructed in order to validate the results obtained by simulation with the model.First the model has been applied to the simulation of a binary mixture (methanol-water), in order to study the degree of separation of the components in the mixture. The results obtained with the model have been compared with those obtained in the pilot plant and with the commercial simulator Batchsim of Pro/II. The methanol-water mixture is the first mixture that has been experimented in the pilot plant and has served for the start-up of the pilot plant.After the binary mixture has been successfully studied, the model has been applied to a ternary mixture (cyclohexane-toluene-chlorobenzene). The results obtained by simulation have been compared with the experiences in the pilot plant and with the simulator Batchsim of Pro/II, in order to study the capacity of the model to describe industrial situations.Once the model has been validated for real mixtures without azeotrope, the model has been applied to a binary azeotropic mixture with a minimum boiling point (toluene-n-butanol) in order to study if the model can predict the behavior of this kind of mixtures. Also, the results obtained with the model have been compared with those obtained in the pilot plant and with those obtained with the simulator Batchsim of Pro/II.In the last part of the thesis, the resolution of the binary azeotrope toluene-n-butanol has been studied with the simplified model, by adding n-octanol. The results obtained by simulation have been compared with those obtained in the pilot plant and those obtained with the simulator Batchsim of Pro/II. It can be concluded that the simplified model is a useful and valid tool that permits the study of the separation of binary and multicomponent mixtures by batch distillation, and also binary azeotropic mixtures. The model permits to contribute to the reuse of volatile organic compounds, like solvents, and to study zero discharge in the batch chemical industries, specially in the industry of fine chemicals. These kind of industries need simplified and quick models, like the model presented in this thesis, in order to accomplish environmental restrictions.The simplified model is also interesting for being applied to calculate operation times in batch process scheduling and in this way to contribute to a better planning of industrial plants

Extension of thermodynamic insights on batch extractive distillation to continuous operation

Nous étudions la faisabilité du procédé de distillation extractive continue pour séparer des mélanges azéotropiques A-B à température de bulle minimale ou maximale, avec un tiers corps E lourd ou léger. Les mélanges ternaires A-B-E appartiennent aux classes 1.0-1-a et 1.0-2 qui se subdivisent chacune en deux souscas selon la position de la courbe d'univolatilité. La colonne de distillation a trois sections, rectification, extractive, épuisement. Nous établissons les équations décrivant les profiles de composition liquide dans chaque section en fonction des paramètres opératoires: pureté et taux de récupération du distillat, taux de reflux ratio R et rapport des débits d'alimentation FE/F dans le cas d'un tiers corps lourd ; pureté et taux de récupération du produit de pied, taux de rebouillage S et rapport des débits d'alimentation FE/F dans le cas d'un tiers corps léger. Avec un tiers corps lourd alimenté comme liquide bouillant au dessus de l'étage d'alimentation du mélange A-B, nous identifions le distillat atteignable et les plages de valeurs faisables des paramètres R et FE/F à partir du critère général de faisabilité énoncé par Rodriguez-Donis et al. (Ind. Eng. Chem. Res, 2009, 48(7), 3544–3559). Pour la classe 1.0-1a, il existe des rapport FE/F et reflux ratio minimum. Le rapport FE/F est plus important pour le procédé continu que pour le procédé discontinu parce que la faisabilité du procédé continu nécessite que les profils d'épuisement et extractifs s'intersectent. Pour la classe 1.0-2, les deux constituants A et B sont des distillats potentiels, l'un sous réserve que le rapport FE/F reste inférieur à une valeur limite maximale. Le procédé continu exhibe également une valeur minimale de FE/F à un taux de reflux ratio donné, contrairement au procédé discontinu. Avec un tiers corps léger alimenté comme vapeur saturante sous l'étage d'alimentation du mélange A-B, nous identifions le produit de pied atteignable et les plages de valeurs faisables des paramètres S et FE/F à partir du critère général de faisabilité énoncé par Rodriguez-Donis et al. (Ind. Eng. Chem. Res, 2012, 51, 4643–4660). Comparé au cas des tiers corps lourds, le produit principal est obtenu en pied. Autrement, les comportements des classes 1.0-1a et 1.0-2 sont analogues entre les tiers corps léger et lourd. Avec un tiers corps léger, le procédé continu ajoute la contrainte que les profils de rectification et extractifs s'intersectent. La contrainte d'intersection des profils d'épuisement et extractif est partagée par les deux modes opératoires continu et discontinu. Ce travail valide la méthodologie proposée pour évaluer la faisabilité du procédé de distillation extractive continue et permet de comparer les tiers entre eux en termes de taux de reflux ratio minimum et de rapport de débit d'alimentation minimal. ABSTRACT : We study the continuous extractive distillation of minimum and maximum boiling azeotropic mixtures A-B with a heavy or a light entrainer E, intending to assess its feasibility based on thermodynamic insights. The ternary mixtures belong to the common 1.0-1a and 1.0-2 class ternary diagrams, each with two sub-cases depending on the univolatility line location. The column has three sections, rectifying, extractive and stripping. Differential equations are derived for each section composition, depending on operating parameters: distillate product purity and recovery, reflux ratio R and entrainer – feed flow rate ratio FE/F for the heavy case; bottom product purity and recovery, reboil ratio and entrainer – feed flow rate ratio for the light entrainer case. For the case with a heavy entrainer fed as a boiling liquid above the main feed, the feasible product and operating parameters R and FE/F ranges are assessed under infinite reflux ratio conditions by using the general feasibility criterion enounced by Rodriguez-Donis et al. (Ind. Eng. Chem. Res, 2009, 48(7), 3544–3559). For the 1.0-1a class, there exists a minimum entrainer - feed flow rate ratio to recover the product, and also a minimum reflux ratio. The minimum entrainer - feed flow rate ratio is higher for the continuous process than for the batch because of the additional requirement in continuous mode that the stripping profile intersects with the extractive profile. For the 1.0-2 class both A and B can be distillated. For one of them there exists a maximum entrainer - feed flow rate ratio. The continuous process also has a minimum entrainer - feed flow rate ratio limit for a given feasible reflux ratio. For the case with a light entrainer fed as saturated vapor below the main feed, the feasible product and operating parameters S and FE/F ranges are assessed under infinite reflux ratio conditions by using the general feasibility criterion enounced by Rodriguez-Donis et al. (Ind. Eng. Chem. Res, 2012, 51, 4643–4660), Compared to the heavy entrainer case, the main product is removed from the column bottom. Similar results are obtained for the 1.0-1a and 1.0-2 class mixtures whether the entrainer is light or heavy. With a light entrainer, the batch insight about the process feasibility holds for the stripping and extractive sections. Now, an additional constraint in continuous mode comes from the necessary intersection between the rectifying and the extractive sections. This work validates the proposed methodology for assessing the feasibility of continuous extractive distillation processes and enables to compare entrainers in terms of minimum reflux ratio and minimum entrainer feed flow rate ratio

Modeling and computational issues in the development of batch processes

Thesis (Ph.D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Chemical Engineering, 1997.Includes bibliographical references (p. 385-401).by Russell John Allgor.Ph.D