Micro-scale Distillation and Microplants in Process Development

Abstract

The purpose of this work was to evaluate the feasibility of using micro scale units for the process development projects. The work consisted of three tasks; the measurement of thermodynamic equilibria, the development of a micro distillation column, and the use of microplants in process development. In the first task new thermodynamic data was measured; 361 vapor-liquid equilibria points for 10 binary mixtures, 83 vapor pressure points for pure compounds, 27 excess enthalpy of mixing, and 27 excess volume of mixing. The results were validated against literature values. Phase equilibria measurements were additionally validated using thermodynamic consistency, and by comparing the total pressure at equimolar composition. The results of phase equilibria measurements were modeled using Soave-Redlich-Kwong equation of state, and Hayden-O'Connel equation to calculate the vapor phase fugacity, and Non-Random Two Liquid, Wilson, Universal Quasi-Chemical and Universal Quasi-Chemical Functional Group models to calculate liquid phase relative activity coefficients. Results obtained from modeling were compared against literature values with good accuracy. A novel micro distillation column was developed based on a planar design using open-cell metal foam as column packing. Operation of the column was tested both as a heat-pipe and as part of a modular distillation unit. In the heat-pipe operation the column operation was controlled via surface temperatures. In the modular operation reboiler and condenser were located outside the column, which is the approach more commonly used in the chemical industry. The quality of data obtained from a microplant for the process development was evaluated using etherification as a model reaction. For this purpose the dynamic change in stream compositions, the reaction equilibrium, and the separation of product from feedstock was measured and modeled. The modeled results corresponded accurately with the experiments. This indicates that when the essential process steps are included in the trial plant the process model can be rigorously validated based on data obtained from micron scale piloting.

Työn tarkoituksena oli tutkia mikromittakaavan koelaitteiston käyttökelpoisuus prosessikehityksen kannalta. Työ jakaantui kolmeen eri osaan; termodynaamisen tasapainon mittauksiin, mikrotislaimen kehittämiseen ja prosessikehitykseen mikromittakaavan koelaitteistolla. Termodynaamisen tasapainon mittauksissa mitattiin kymmenelle kahden komponentin seokselle 361 neste-höyry–tasapainopistettä, 83 höyrynpainepistettä puhtaille komponenteille, sekä 27 eksessientalpiapistettä ja eksessitilavuuspistettä. Mittausten oikeellisuus varmistettiin vertaamalla tuloksia kirjallisuusarvoihin. Faasitasapainomittausten oikeellisuus varmistettiin lisäksi termodynaamisen konsistenssin perusteella ja vertaamalla mittausten kokonaispainetta ekvimolaarisessa pitoisuudessa. Faasitasapainomittauksen tulokset mallinnettiin käyttäen Soave-Redlich-Kwong tilanyhtälöä ja Hayden-O'Connel yhtälöä höyryfaasin fugasiteettien laskemiseen sekä Non-Random Two Liquid, Wilson, Universal Quasi-chemical ja Universal Quasi-chemical Functional group Activity Coefficients malleja nestefaasin suhteellisten aktiivisuuskertoimien laskentaan. Mallinnuksen oikeellisuus todennettiin vertaamalla aktiivisuuskerroinmalleilla laskettuja tasapainopisteitä kirjallisuudessa esitettyihin tuloksiin. Uuden tyyppinen mikrotislain kehitettiin perustuen levymäiseen rakenteeseen, jossa käytettiin avosoluista metallivaahtoa täytekappaleena. Mikrotislainta tutkittiin kahdella erilaisella operointitavalla; lämpöputkityyppisellä ja modulaarisella. Lämpöputkityyppisessä operoinnissa tislaimen toimintaa säädettiin pintalämpötilan avulla. Modulaarisessa operointitavassa pohjakiehutin ja höyryn lauhdutin sijaitsivat tislaimen ulkopuolella, mikä on yleisempi ratkaisu teollisen mittakaavan tislaimissa. Mikromittakaavan koelaitteistosta saatavan tiedon käyttökelpoisuutta prosessikehityksessä tutkittiin käyttäen eetteröintiä mallireaktiona. Työssä mitattiin ja mallinnettiin virtojen koostumuksen muuttumista, reaktiotasapainoa ja tuotteiden erotusta lähtöaineista. Mittaustulokset korreloivat suurella tarkkuudella prosessimallin kanssa. Tämä osoittaa, että kun olennaiset prosessivaiheet on sisällytetty koelaitteistoon, voidaan mikromittakaavan laitteistosta saatavaa tietoa hyödyntää prosessimallien validointiin. Mikromittakaavan koelaitteistosta saatavan tiedon käyttökelpoisuutta prosessikehityksessä tutkittiin käyttäen eetteröintiä mallireaktiona. Työssä mitattiin ja mallinnettiin virtojen koostumuksen muuttumista, reaktiotasapainoa ja tuotteiden erotusta lähtöaineista. Tuloksia verrattiin prosessimallin tuloksiin. Prosessimallin tulokset vastasivat suurella tarkkuudella mittaustuloksia, mikä osoittaa mikromittakaavan laitteistosta saatavan tiedon laadun ja määrän olevan riittävä prosessimallien validointiin.