A new technique for recovering energy in thermally coupled distillation using vapor recompression cycles

Even though it has been proved that a fully thermally coupled distillation (TCD) system minimizes the energy used by a sequence of columns, it is well-known that vapor/liquid transfers between different sections produce an unavoidable excess of vapor (liquid) in some of them, increasing both the investment and operating costs. It is proposed here to take advantage of this situation by extracting the extra vapor/liquid and subjecting it to a direct/reverse vapor compression cycle. This new arrangement restores the optimal operating conditions of some of the affected sections with energy savings of around 20–30% compared with conventional TCD columns. Various examples, including the direct and reverse vapor recompression cycles, are presented. Furthermore, in each example, all possible modes of distillation (direct, indirect and Petlyuk distillation) with and without vapor recompression cycles (VRC) are compared to ensure that this approach delivers the best results.The authors would like to acknowledge financial support from the Spanish Ministerio de Ciencias e Innovación (PPQ, CTQ2009–14420-C02-02 and CTQ2012–37039-C02-02)

Logic hybrid simulation-optimization algorithm for distillation design

In this paper, we propose a novel algorithm for the rigorous design of distillation columns that integrates a process simulator in a generalized disjunctive programming formulation. The optimal distillation column, or column sequence, is obtained by selecting, for each column section, among a set of column sections with different number of theoretical trays. The selection of thermodynamic models, properties estimation etc., are all in the simulation environment. All the numerical issues related to the convergence of distillation columns (or column sections) are also maintained in the simulation environment. The model is formulated as a Generalized Disjunctive Programming (GDP) problem and solved using the logic based outer approximation algorithm without MINLP reformulation. Some examples involving from a single column to thermally coupled sequence or extractive distillation shows the performance of the new algorithm.Spanish Ministry of Science and Innovation (CTQ2012-37039-C02-02)

Rigorous Design of Complex Distillation Columns Using Process Simulators and the Particle Swarm Optimization Algorithm

We present a derivative-free optimization algorithm coupled with a chemical process simulator for the optimal design of individual and complex distillation processes using a rigorous tray-by-tray model. The proposed approach serves as an alternative tool to the various models based on nonlinear programming (NLP) or mixed-integer nonlinear programming (MINLP) . This is accomplished by combining the advantages of using a commercial process simulator (Aspen Hysys), including especially suited numerical methods developed for the convergence of distillation columns, with the benefits of the particle swarm optimization (PSO) metaheuristic algorithm, which does not require gradient information and has the ability to escape from local optima. Our method inherits the superstructure developed in Yeomans, H.; Grossmann, I. E.Optimal design of complex distillation columns using rigorous tray-by-tray disjunctive programming models. Ind. Eng. Chem. Res.2000, 39 (11), 4326–4335, in which the nonexisting trays are considered as simple bypasses of liquid and vapor flows. The implemented tool provides the optimal configuration of distillation column systems, which includes continuous and discrete variables, through the minimization of the total annual cost (TAC). The robustness and flexibility of the method is proven through the successful design and synthesis of three distillation systems of increasing complexity.The authors would like to acknowledge financial support from the Spanish “Ministerio de Ciencia e Innovación” (CTQ2009-14420-C02-02 and CTQ2012-37039-C02-02)

Rigorous design of distillation columns using surrogate models based on Kriging interpolation

The economic design of a distillation column or distillation sequences is a challenging problem that has been addressed by superstructure approaches. However, these methods have not been widely used because they lead to mixed-integer nonlinear programs that are hard to solve, and require complex initialization procedures. In this article, we propose to address this challenging problem by substituting the distillation columns by Kriging-based surrogate models generated via state of the art distillation models. We study different columns with increasing difficulty, and show that it is possible to get accurate Kriging-based surrogate models. The optimization strategy ensures that convergence to a local optimum is guaranteed for numerical noise-free models. For distillation columns (slightly noisy systems), Karush–Kuhn–Tucker optimality conditions cannot be tested directly on the actual model, but still we can guarantee a local minimum in a trust region of the surrogate model that contains the actual local minimum.The authors gratefully acknowledge the financial support of the Ministry of Economy and Competitiveness of Spain, under the project CTQ2012-37039-C02-02

Diseño de diferentes secuencias de destilación para separar nafta, diésel y gasoil en una unidad de hidrotratamiento a vacío

El objetivo de las refinerías de petróleo es la obtención de los diferentes productos de valor que puedan extraerse de este combustible fósil. Para ello, una gran variedad de procesos físicos y químicos tienen lugar en estas plantas, aunque el protagonismo recae sin duda sobre las columnas de destilación. En ellas, se logra separar las mezclas de hidrocarburos con diferentes rangos de volatilidades para, posteriormente, mandarlas a otras unidades de la refinería en las cuales son sometidas a otro tipo de procesos, como el tratamiento químico, el reformado, el craqueo o, simplemente, el mezclado con otras fracciones, obteniendo así las propiedades deseadas antes de comercializar los productos. Las columnas de rectificación principales de una refinería se encuentran en las unidades de destilación atmosférica –Crude Distillation Unit (CDU)– y a vacío –Vacuum Distillation Unit (VDU)–. Además de ellas, también se emplean estos equipos en otras partes de la planta, como es el caso de la columna fraccionadora empleada en la unidad de craqueo catalítico –Fluid Catalytic Cracking (FCC)– o la estabilizadora de la unidad de hidrotratamiento de gasoil a vacío –Vacuum Gas Oil Hidro-Treatment (VGO-HT)–. En el presente trabajo se estudia la viabilidad y el interés económico de diferentes secuencias de columnas de destilación con las cuales llevar a cabo la separación que tendría lugar en una columna estabilizadora, la cual es alimentada con el efluente de un reactor de hidrotratamiento de gasoil. Para ello, todas las alternativas consideradas están sujetas a las especificaciones y garantías de los productos finales de un proyecto real de modernización o revamping de una refinería

Simulación, integración de energía y análisis económico de una planta de hidrogenación de hidrocarburos

En el presente trabajo de fin de grado se ha llevado a cabo la simulación de una planta de hidrogenación de hidrocarburos mediante el software Aspen HYSYS V12. Para ello, se ha partido de un alimento constituido por una mezcla de hidrocarburos saturados e insaturados y se ha propuesto un modelo de la planta partiendo de una ya simulada (Ordouei, 2009), a la que se le han hecho ciertas modificaciones y añadidos. Con esto, partiendo de la zona de reacción propuesta por Ordouei (2009), se proponen dos sistemas de separación distintos y se comparan las purezas obtenidas de cada uno de los productos, así como los requerimientos energéticos de cada configuración. Para determinar los requerimientos energéticos de cada una de las alternativas, se ha realizado la integración energética de la planta empleando la tecnología pinch. Así, se propone una red de intercambiadores de calor que, aunque no sea la red óptima desde el punto de vista económico, es una buena red de modo que se minimiza el uso de servicios fríos y calientes, al igual que el número de intercambiadores de calor. Por otro lado, se propone la implementación de un ciclo Brayton, que consiste en comprimir el aire antes de que entre a la cámara de combustión, donde se queman los hidrocarburos ligeros de la planta, de modo que se usan los gases calientes de salida para mover una turbina y generar electricidad. Además, se usa el calor de la combustión contenido en los gases calientes para generar vapor de agua a media y baja presión. Con esto, se obtiene energía eléctrica que se emplea para proporcionar suministro eléctrico a las diferentes bombas, compresores y edificios de la planta, así como vapor de agua a media y baja presión que se usa como servicio caliente. Por último, se ha realizado un análisis económico de la planta con el sistema de separación seleccionado, con lo que se han obtenido los costes de la misma

Simulação de colunas de destilação de elevada eficiência energética

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química e BiológicaA destilação é o principal processo de separação usado nas indústrias químicas para separação de misturas líquidas, e apesar de ser um processo muito intensivo energeticamente continua hoje em dia a ser o processo de separação preferencial. O largo impacto dos processos de destilação nos custos de investimento e operação tem impulsionado o desenvolvimento de sistemas complexos de destilação, cuja principal finalidade consiste na otimização energética do processo de separação. No âmbito do estudo da utilização de colunas de elevada eficiência energética para separações multicomponente através da simulação de processos, o presente trabalho foca-se na compreensão, análise e avaliação da Coluna de Petlyuk, sistema de colunas com acoplamento térmico integral (FTCDC), inicialmente introduzida na década de 1940, com um reportado potencial para poupanças energéticas até cerca de 30% relativamente ao sistema tradicional. Para a simulação dos sistemas em estudo foi usado o software de simulação de processos HYSYS, cuja aplicação é desenvolvida e analisada no decurso deste trabalho, o qual é dividido em três partes principais: implementação dos processos em HYSYS para simulação rigorosa em modo de estado estacionário, otimização e simulação dinâmica e controlo. A primeira parte diz respeito ao design dos sistemas e âmbito de aplicação do HYSYS nesta etapa. Através do estudo da separação de mistura ternária equimolar de isómeros de butanol, é apresentado um procedimento de implementação do sistema FTCDC e avaliados os resultados de simulação rigorosa fazendo a sua comparação com os resultados obtidos para o sistema tradicional. A segunda parte é dedicada à otimização de ambos os sistemas, FTCDC e tradicional, cujos estudos se baseiam na simulação em estado estacionário. O elevado número de variáveis de design do sistema FTCDC pode conduzir a tedioso e moroso trabalho de simulação. Neste trabalho são aplicadas metodologias de desenho de experiências na otimização do sistema FTCDC, as quais permitiram uma significativa redução o número de simulações a executar, sendo o procedimento de otimização, baseado no procedimento de desenhos de experiências, desenvolvido ao longo desta parte. Os resultados de otimização de ambos os sistemas são avaliados e comparados. A última parte deste trabalho debruça-se sobre o tema da operabilidade dos sistemas, avaliada através da simulação dinâmica dos mesmos e avaliação da estrutura de controlo implementada. A simulação dinâmica de processos, baseada em modelos dinâmicos, permite melhorar o seu design, otimização e operação, cujos resultados traduzirão de uma forma mais realística o desempenho do processo desenhado, uma vez que estes nunca se encontram num verdadeiro estado estacionário. Nesta parte é apresentado o procedimento de implementação da simulação dinâmica de ambos os sistemas, no qual se inclui a definição da configuração de controlo para cada um destes. Através dos resultados de simulação dinâmica de ambos os sistemas é avaliado o seu design e respetiva estrutura de controlo