Experimental Investigation, Analysis and Optimisation of Hybrid … · 2011. 2. 23. · Carsten...

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technische universität dortmund Fakultät Bio- und Chemieingenieurwesen Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik Carsten Buchaly | EPIC2009-Venice-Italy, 17.06.2009 Experimental Investigation, Analysis and Optimisation of Hybrid Separation Processes EFCE Excellence Award in Process Intensification 2009 Carsten Buchaly

Transcript of Experimental Investigation, Analysis and Optimisation of Hybrid … · 2011. 2. 23. · Carsten...

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    Fakultät Bio- und

    Chemieingenieurwesen

    Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik

    Carsten Buchaly | EPIC2009-Venice-Italy, 17.06.2009

    Experimental Investigation, Analysis and

    Optimisation

    of Hybrid Separation ProcessesEFCE Excellence Award in Process Intensification 2009

    Carsten Buchaly

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    Motivation

    Strong interactions of both unit operations

    Detailed process know-how necessary

    Less experience existent

    Reduced volumina of apparatuses

    / capital costs

    Less energy consumption

    No auxiliary components required

    1

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    Process Description

    Propionic acid

    1-Propanol

    n-Propyl propionate

    1-Propanol

    H2O

    Reactive Distillation

    Integration of reaction

    and separation

    Increased conversion

    and selectivityH2O

    Membrane

    separation

    1-Propanol

    (H2O)

    Propionic acid

    1-Propanol

    n-Propyl propionate

    1-Propanol

    H2O

    Membrane Separation

    1-Propanol recovery

    High selectivity

    Independent on VLE

    2

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    Carsten Buchaly | EPIC2009-Venice-Italy, 17.06.2009 3

    Methodology

    Hybrid Process

    (reactive distillation + membrane separation)

    Theory

    Experimental design

    Process analysis

    Optimisation

    Experiments

    Pilot-scale

    Start-up behaviour

    Process know-how

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    Carsten Buchaly | EPIC2009-Venice-Italy, 17.06.2009 6

    Methodology

    Hybrid Process

    (reactive distillation + membrane separation)

    Theory

    Experimental design

    Process analysis

    Optimisation

    Experiments

    Pilot-scale

    Start-up behaviour

    Process know-how

    Experiments

    Pilot-scale

    Operational parameters

    Model validation

    Unit operation 1

    (reactive distillation)

    Unit operation 2

    (membrane separation)

    Theory

    Experimental design

    Process analysis

    Experiments

    Lab-scale

    Separation characteristics

    Model parameters

    Experiments

    Pilot-scale

    Scale-up

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    Reactive distillation: pilot-scale plant

    Katapak SP 11

    Distillation column (DN 50)

    5.5 m packing height

    Investigated operating parameters

    Pressure: atmospheric

    Distillate-to-feed ratio: 0.33 - 0.45

    Molar feed ratio (c): 2.1 - 2.5

    Reflux ratio (RR): 2.0 - 4.0

    Database of 15 successfully

    realised RD experiments4

    12m

    ProAc

    POH

    Sulzer BX

    2.3 m

    Katapak SP 11

    2.7 m

    Sulzer BX

    0.5 m

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    Carsten Buchaly | EPIC2009-Venice-Italy, 17.06.2009

    Vapour permeation: pilot-scale plant

    Steady state vapour permeation experiments

    Connection with reactive distillation column to hybrid separation process

    Sulzer Pervap 2201(D) with AMemb = 0.5m²

    Plate-and-frame module

    Buchaly, Kreis, Górak (2007): Chemical Engineering and Processing, 46, p. 790-799

    5

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    Carsten Buchaly | EPIC2009-Venice-Italy, 17.06.2009

    Vapour permeation: pilot-scale plant

    Steady state vapour permeation experiments

    Connection with reactive distillation column to hybrid separation process

    Sulzer Pervap 2201(D) with AMemb = 0.5m²

    Buchaly, Kreis, Górak (2007): Chemical Engineering and Processing, 46, p. 790-799

    5

    Binary system 1-propanol/water

    Water concentration: 13 - 30 wt.-%

    Feed temperature: 92.0 - 98.7 °C

    Feed pressure: atmospheric

    Permeate pressure: 30 - 70 mbar

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    Hybrid separation process: experimental investigations

    RD and VP separated sequential configuration „closed recycle“

    6

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    Hybrid separation process: experimental investigations

    Successful experiment with coupled

    unit operations

    Buchaly, Kreis, Górak (2008): Chemie Ingenieur Technik, 80, p. 145-156

    7

    -0,5

    0,0

    0,5

    1,0

    1,5

    2,0

    2,5

    3,0

    3,5

    4,0

    4,5

    5,0

    5,5

    0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

    molar fraction in the liquid phase / mol mol-1

    packin

    g h

    eig

    ht

    / m

    POH (exp)

    ProPro (exp)

    ProAc (exp)

    Water (exp)

    POH-Feed

    reactive section

    evaporator

    ProAc-Feed

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    Carsten Buchaly | EPIC2009-Venice-Italy, 17.06.2009

    Hybrid separation process: experimental investigations

    Buchaly, Kreis, Górak (2008): Chemie Ingenieur Technik, 80, p. 145-156

    7

    Successful experiment with coupled

    unit operations

    Increase of ester concentration in

    the bottom

    Change of distillate composition

    -0,5

    0,0

    0,5

    1,0

    1,5

    2,0

    2,5

    3,0

    3,5

    4,0

    4,5

    5,0

    5,5

    0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

    molar fraction in the liquid phase / mol mol-1

    packin

    g h

    eig

    ht

    / m

    POH (exp)

    ProPro (exp)

    ProAc (exp)

    Water (exp)

    POH-Feed

    reactive section

    evaporator

    ProAc-Feed

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    Hybrid separation process: experimental investigations

    Buchaly, Kreis, Górak (2008): Chemie Ingenieur Technik, 80, p. 145-156

    Strong interactions between both

    unit operations

    7

    Successful experiment with coupled

    unit operations

    Increase of ester concentration in

    the bottom

    Change of distillate composition

    -0,5

    0,0

    0,5

    1,0

    1,5

    2,0

    2,5

    3,0

    3,5

    4,0

    4,5

    5,0

    5,5

    0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

    molar fraction in the liquid phase / mol mol-1

    packin

    g h

    eig

    ht

    / m

    POH (exp)

    ProPro (exp)

    ProAc (exp)

    Water (exp)

    POH-Feed

    reactive section

    evaporator

    ProAc-Feed

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    Modelling approach

    Reactive distillation based on non-equilibrium stage model

    Multicomponent mass transfer (Stefan-Maxwell)

    Packing specific correlations (hold-up, Dp, kga, kla)

    Steady state and dynamic process simulation

    Vapour permeation based on

    „Solution-Diffusion-Model“

    Polarisation effects (c,T)

    Hydrodynamics (co-, counter-current; Dp)

    Membrane materials

    Implemented in Aspen Custom ModelerTM (ACM)8

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    Modelling approach

    Reactive distillation based on non-equilibrium stage model

    Multicomponent mass transfer (Stefan-Maxwell)

    Packing specific correlations (hold-up, Dp, kga, kla)

    Steady state and dynamic process simulation

    Vapour permeation based on

    „Solution-Diffusion-Model“

    Polarisation effects (c,T)

    Hydrodynamics (co-, counter-current; Dp)

    Membrane materials

    Implemented in Aspen Custom ModelerTM (ACM)8

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    Carsten Buchaly | EPIC2009-Venice-Italy, 17.06.2009

    Reactive distillation: model validation

    -0,5

    0,0

    0,5

    1,0

    1,5

    2,0

    2,5

    3,0

    3,5

    4,0

    4,5

    5,0

    5,5

    0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

    molar fraction in liquid phase [mol/mol]

    packin

    g h

    eig

    ht

    [m]

    POH (exp)

    ProPro (exp)

    ProAc (exp)

    Water (exp)

    POH-Feed

    reactive section

    reboiler

    ProAc-Feed

    2,0 kg/h

    2,068

    2,49

    0,85 kg/h

    Feed:

    cPOH/ProAc:

    RR:

    Distillate:

    9

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    Reactive distillation: model validation

    -0,5

    0,0

    0,5

    1,0

    1,5

    2,0

    2,5

    3,0

    3,5

    4,0

    4,5

    5,0

    5,5

    0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

    molar fraction in liquid phase [mol/mol]

    packin

    g h

    eig

    ht

    [m]

    POH (exp)

    ProPro (exp)

    ProAc (exp)

    Water (exp)

    POH-Feed

    reactive section

    reboiler

    ProAc-Feed

    2,0 kg/h

    2,068

    2,49

    0,85 kg/h

    Feed:

    cPOH/ProAc:

    RR:

    Distillate:

    Correlations for column internals:

    Sulzer BX -> Bravo et al.*; Rocha et al.**

    Katapak-SP -> Brunazzi***

    9

    * Bravo et al. (1985): Hydr. Proc., 1, p. 91–95

    ** Rocha et al. (1993): Ind. Eng. Chem. Res., 32, p. 641–651

    *** Brunazzi, Viva (2006): Distillation & Absorption 2006

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    Carsten Buchaly | EPIC2009-Venice-Italy, 17.06.2009

    Reactive distillation: model validation

    2,0 kg/h

    2,068

    2,49

    0,85 kg/h

    Feed:

    cPOH/ProAc:

    RR:

    Distillate:

    0,0

    0,2

    0,4

    0,6

    0,8

    1,0

    0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

    liquid phase mole fractionsimulated / mol mol-1

    liq

    uid

    ph

    as

    e m

    ole

    fra

    cti

    on

    ex

    pe

    rim

    en

    tal /

    mo

    l m

    ol-

    1

    -15%

    +15%

    -5%

    +5%

    9

    Correlations for column internals:

    Sulzer BX -> Bravo et al.*; Rocha et al.**

    Katapak-SP -> Brunazzi***

    * Bravo et al. (1985): Hydr. Proc., 1, p. 91–95

    ** Rocha et al. (1993): Ind. Eng. Chem. Res., 32, p. 641–651

    *** Brunazzi, Viva (2006): Distillation & Absorption 2006

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    Reactive distillation: model validation

    2,0 kg/h

    2,068

    2,49

    0,85 kg/h

    Feed:

    cPOH/ProAc:

    RR:

    Distillate:

    0,0

    0,2

    0,4

    0,6

    0,8

    1,0

    0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

    liquid phase mole fractionsimulated / mol mol-1

    liq

    uid

    ph

    as

    e m

    ole

    fra

    cti

    on

    ex

    pe

    rim

    en

    tal /

    mo

    l m

    ol-

    1

    -15%

    +15%

    -5%

    +5%

    9

    Correlations for column internals:

    Sulzer BX -> Bravo et al.*; Rocha et al.**

    Katapak-SP -> Brunazzi***

    * Bravo et al. (1985): Hydr. Proc., 1, p. 91–95

    ** Rocha et al. (1993): Ind. Eng. Chem. Res., 32, p. 641–651

    *** Brunazzi, Viva (2006): Distillation & Absorption 2006

    Model validation successful

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    Carsten Buchaly | EPIC2009-Venice-Italy, 17.06.2009

    Hybrid separation process: model validation

    10

    -0,5

    0,0

    0,5

    1,0

    1,5

    2,0

    2,5

    3,0

    3,5

    4,0

    4,5

    5,0

    5,5

    0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

    molar fraction in the liquid phase / mol mol-1

    packin

    g h

    eig

    ht

    / m

    POH (exp)

    ProPro (exp)

    ProAc (exp)

    Water (exp)

    POH-Feed

    reactive section

    evaporator

    ProAc-Feed

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    XProAc,exp

    XPOH,exp

    = 74.4 %

    = 29.8 %

    XProAc,sim

    XPOH,sim

    = 73.6 %

    = 29.4 %

    Sequential configuration

    Hybrid separation process: model validation

    10

    -0,5

    0,0

    0,5

    1,0

    1,5

    2,0

    2,5

    3,0

    3,5

    4,0

    4,5

    5,0

    5,5

    0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

    molar fraction in the liquid phase / mol mol-1

    packin

    g h

    eig

    ht

    / m

    POH (exp)

    ProPro (exp)

    ProAc (exp)

    Water (exp)

    POH-Feed

    reactive section

    evaporator

    ProAc-Feed

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    XProAc,exp

    XPOH,exp

    = 74.4 %

    = 29.8 %

    = 73.3 %

    = 31.8 %

    XProAc,sim

    XPOH,sim

    = 73.6 %

    = 29.4 %

    XProAc,exp

    XPOH,exp

    XProAc,sim

    XPOH,sim

    = 73.5 %

    = 31.9 %

    Closed recycle

    Excellent agreement between experiments and simulation

    Hybrid separation process: model validation

    10

    Sequential configuration

    -0,5

    0,0

    0,5

    1,0

    1,5

    2,0

    2,5

    3,0

    3,5

    4,0

    4,5

    5,0

    5,5

    0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

    molar fraction in the liquid phase / mol mol-1

    packin

    g h

    eig

    ht

    / m

    POH (exp)

    ProPro (exp)

    ProAc (exp)

    Water (exp)

    POH-Feed

    reactive section

    evaporator

    ProAc-Feed

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    RR = const

    D = const

    wH2O varied

    Amemb = ?

    QH = ?

    Hybrid separation process: process analysis

    11

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    Strong influence on AMemb

    High degree of dewatering

    requires large AMemb

    Hybrid separation process: process analysis

    12

    0,0

    0,2

    0,4

    0,6

    0,8

    1,0

    0,0% 2,5% 5,0% 7,5% 10,0% 12,5% 15,0%

    mass fraction of water in the recycle

    me

    mb

    ran

    e a

    rea

    / m

    2

    1200

    1300

    1400

    1500

    1600

    1700

    reb

    oil

    er

    he

    at

    du

    ty /

    W

    Amemb

    Column:

    D/F mass = 0.375

    RR = 2.5

    Membrane:

    p perm = 30 mbar

    D T sup = 4.0 °C

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    Fakultät Bio- und

    Chemieingenieurwesen

    Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik

    Carsten Buchaly | EPIC2009-Venice-Italy, 17.06.2009

    Lower QH at higher recycle

    purity required

    Strong influence on AMemb

    High degree of dewatering

    requires large AMemb

    Hybrid separation process: process analysis

    12

    0,0

    0,2

    0,4

    0,6

    0,8

    1,0

    0,0% 2,5% 5,0% 7,5% 10,0% 12,5% 15,0%

    mass fraction of water in the recycle

    me

    mb

    ran

    e a

    rea

    / m

    2

    1200

    1300

    1400

    1500

    1600

    1700

    reb

    oil

    er

    he

    at

    du

    ty /

    W

    Amemb

    Column:

    D/F mass = 0.375

    RR = 2.5

    Membrane:

    p perm = 30 mbar

    D T sup = 4.0 °C

    QH

  • technische

    universität

    dortmund

    Fakultät Bio- und

    Chemieingenieurwesen

    Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik

    Carsten Buchaly | EPIC2009-Venice-Italy, 17.06.2009

    Lower QH at higher recycle

    purity required

    Optimisation problem

    Strong influence on AMemb

    High degree of dewatering

    requires large AMemb

    Hybrid separation process: process analysis

    12

    0,0

    0,2

    0,4

    0,6

    0,8

    1,0

    0,0% 2,5% 5,0% 7,5% 10,0% 12,5% 15,0%

    mass fraction of water in the recycle

    me

    mb

    ran

    e a

    rea

    / m

    2

    1200

    1300

    1400

    1500

    1600

    1700

    reb

    oil

    er

    he

    at

    du

    ty /

    W

    Amemb

    Column:

    D/F mass = 0.375

    RR = 2.5

    Membrane:

    p perm = 30 mbar

    D T sup = 4.0 °C

    QH

  • technische

    universität

    dortmund

    Fakultät Bio- und

    Chemieingenieurwesen

    Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik

    Carsten Buchaly | EPIC2009-Venice-Italy, 17.06.2009

    Lower QH at higher recycle

    purity required

    Optimisation problem

    Strong influence on AMemb

    High degree of dewatering

    requires large AMemb

    Hybrid separation process: process analysis

    Modified stochastic optimisation

    algorithm based on a differential

    evolution* approach (MDE)

    * Babu, Angira (2008): Comp. Chem. Eng., 30, p. 989–1002

    Angira, Babu (2006): Chem. Eng. Sci., 61, p. 4707–4721

    Frerick et al. (2008): Chem. Ing. Tech., 1, p.1-10

    12

    0,0

    0,2

    0,4

    0,6

    0,8

    1,0

    0,0% 2,5% 5,0% 7,5% 10,0% 12,5% 15,0%

    mass fraction of water in the recycle

    me

    mb

    ran

    e a

    rea

    / m

    2

    1200

    1300

    1400

    1500

    1600

    1700

    reb

    oil

    er

    he

    at

    du

    ty /

    W

    Amemb

    Column:

    D/F mass = 0.375

    RR = 2.5

    Membrane:

    p perm = 30 mbar

    D T sup = 4.0 °C

    QH

  • technische

    universität

    dortmund

    Fakultät Bio- und

    Chemieingenieurwesen

    Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik

    Carsten Buchaly | EPIC2009-Venice-Italy, 17.06.2009 13

    Objective function: min QH = f (RR, D/Fmass, wH2O,recycle)

    Solution space: 0.8 RR 5; 0.25 D/Fmass 0.55; 0.02 wH2O,recycle 0.15

    Constrain: xProPro,bottom 0.75

    no LLE

    Hybrid separation process: rigorous optimisation using MDE

    wH2O= ?

    QH= ?

    RR = ?

    D/Fmass = ?

    Amemb= ?

  • technische

    universität

    dortmund

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    Chemieingenieurwesen

    Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik

    Carsten Buchaly | EPIC2009-Venice-Italy, 17.06.2009

    65 generations with 8 parents

    CPU-time ~ 12 hour

    QH,min = 1059 W

    RR = 0.98; D/Fmass = 0.52; wH2O,recycle = 0.022

    Amemb = 3.04 m²

    feasibility and applicability of the now

    available optimisation package based

    on detailed process models proven

    Objective function: min QH = f (RR, D/Fmass, wH2O,recycle)

    Solution space: 0.8 RR 5; 0.25 D/Fmass 0.55; 0.02 wH2O,recycle 0.15

    Constrain: xProPro,bottom 0.75

    no LLE

    wH2O= ?

    QH= ?

    RR = ?

    D/Fmass = ?

    Amemb= ?

    0

    20000

    40000

    60000

    80000

    100000

    120000

    0 5 10 15 20 25 30 35

    generation

    ob

    jective f

    un

    ctio

    n

    parent 1

    parent 2

    parent 3

    parent 4

    parent 5

    parent 6

    parent 7

    parent 8

    13

    Hybrid separation process: rigorous

    optimisation using MDE

  • technische

    universität

    dortmund

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    Carsten Buchaly | EPIC2009-Venice-Italy, 17.06.2009

    Conclusion

    14

    Reliable experimental database for both unit operations

    and hybrid process

    Choice of an appropriate chemical test system

    Development of a generic methodology for the design of hybrid processes

    Provision of reliable experimental data for the applied unit operations

    Experimental investigation of the fully coupled unit operations

    Model validation for the stand-alone unit operations and the hybrid process

    Analysis of the influence of decisive operational parameters on the

    performance of the hybrid separation process

    Optimisation of the hybrid process using an evolutionary algorithm

  • technische

    universität

    dortmund

    Fakultät Bio- und

    Chemieingenieurwesen

    Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik

    Carsten Buchaly | EPIC2009-Venice-Italy, 17.06.2009

    Special thanks to:

    EU-Project INSERT

    “Integrating Separation and Reaction Technologies“

    (Contract No. NMP2-CT-2003-505862)

    Marie Curie Training Site „Reactive Separations“

    (Contract Nr. HPMT-CT-2001-00408)

    Fonds der Chemischen Industrie

    Stefan Kluckhenn; Ildefonso Campos-Velarde; Christian Schroeder; Marcel

    Kotora; Martin Cruz-Dias; Carlos Duarte; Katrin Kissing; Siggi Weiss; Piotr

    Mitkowski; Paulo Perez; Gencay Cengiz; Rocio Castillo-Tornay; Dominik

    Plaßmann; Markus Hengsbach; Bharat Karanth; Mayur Dalwani; Mayuratheepan

    Puthirasigamany & the Laboratory of Fluid Separations

    http://cordis.europa.eu/improving/networks/home.htm

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    dortmund

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    Carsten Buchaly | EPIC2009-Venice-Italy, 17.06.2009

    Experimental Investigation, Analysis and

    Optimisation

    of Hybrid Separation ProcessesEFCE Excellence Award in Process Intensification 2009

    Carsten Buchaly