Micro-scale Distillation and Microplants in Process Development

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Uusi-Kyyny, Petri, D. Sc. (Tech), Aalto University, Department of Biotechnology and Chemical Technology, Finland
dc.contributor.author Sundberg, Aarne
dc.date.accessioned 2015-01-17T10:00:11Z
dc.date.available 2015-01-17T10:00:11Z
dc.date.issued 2014
dc.identifier.isbn 978-952-60-5985-3 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-5986-0 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/14962
dc.description.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. en
dc.description.abstract 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. fi
dc.format.extent 54 + app. 68
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 195/2014
dc.relation.haspart [Publication 1]: Sundberg, Aarne; Uusi-Kyyny, Petri; Pakkanen, Minna; Alopaeus, Ville. Vapor–Liquid Equilibrium for Tetrahydrothiophene + n- Butane, + trans-2-Butene, + 2-Methylpropane, and +2- Methylpropene. J. Chem. Eng. Data. 2009, 54(4), 1311–1317. DOI: 10.1021/je800896m
dc.relation.haspart [Publication 2]: Sundberg, Aarne; Uusi-Kyyny, Petri; Pakkanen, Minna; Alopaeus, Ville. Vapor−Liquid Equilibrium for Methoxymethane + Methyl Formate, Methoxymethane + Hexane, and Methyl Formate + Methanol, J. Chem. Eng. Data. 2011, 56(5), 2634–2640. DOI: 10.1021/je200140m
dc.relation.haspart [Publication 3]: Sundberg, Aarne; Laavi, Helena; Kim, Y.; Uusi-Kyyny, Petri; Pokki, Juha-Pekka; Alopaeus, Ville. Vapor-Liquid Equilibria, Excess Enthalpy, and Excess Volume of binary mixtures containing analcohol (1-butanol, 2-butanol, or 2-methyl-2-butanol), and 2-ethoxy-2-methylbutane, J. Chem. Eng. Data. 2012, 57(12), 3502-3509. DOI: 10.1021/je300670n
dc.relation.haspart [Publication 4]: Sundberg, Aarne; Uusi-Kyyny, Petri; Alopaeus, Ville. Microscale distillation, Russ. J. Gen. Chem. 2012, 82, 2079-2087. V. Sundberg, Aarne; Uusi-Kyyny, Petri; Alopaeus, Ville. Novel microdistillation column for process development. Chem. Eng. Res. Des. 2009, 87(5), 705-710. DOI: 10.1016/j.cherd.2008.09.011
dc.relation.haspart [Publication 5]: Sundberg, Aarne; Uusi-Kyyny, Petri; Jakobsson, Kaj; Alopaeus, Ville. Control of reflux and reboil flow rates for milli and micro distillation. Chem. Eng. Res. Des. 2012, 91(5), 753-760. DOI: 10.1016/j.cherd.2012.08.009
dc.relation.haspart [Publication 6]: Sundberg, Aarne; Uusi-Kyyny, Petri; Alopaeus, Ville. The use of Microplants in Process Development – Case Study of the Etherification of 2-Ethoxy-2-methylbutane. Chem. Eng. Process.2013, 74, 75-82. DOI: 10.1016/j.cep.2013.06.013
dc.subject.other Chemistry en
dc.title Micro-scale Distillation and Microplants in Process Development en
dc.title Mikromittakaavan tislaus ja koelaitteisto prosessikehityksessä fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Kemian tekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Chemical Technology en
dc.contributor.department Biotekniikan ja kemian tekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Biotechnology and Chemical Technology en
dc.subject.keyword micro distillation en
dc.subject.keyword microplant en
dc.subject.keyword process development en
dc.subject.keyword mikrotislaus fi
dc.subject.keyword mikroplant fi
dc.subject.keyword prosessikehitys fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-5985-3
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Alopaeus, Ville, Prof., Aalto University, Department of Biotechnology and Chemical Technology, Finland
dc.opn Sørensen, Eva, Reader, London's Global University, United Kingdom
dc.contributor.lab Chemical Engineering Research Group en
dc.rev Tanskanen, Juha, Prof., University of Oulu, Finland
dc.rev Turunen, Ilkka, Prof., Lappeenranta University of Technology, Finland
dc.date.defence 2015-01-30


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account