New Double-Column Systems for Batch Heteroazeotropic Distillation

par Ferenc Dénes

Thèse de doctorat en Génie des procédés et de l'environnement

Sous la direction de Xavier Joulia et de Péter Láng.


  • Résumé

    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.

  • Titre traduit

    Nouveaux systèmes de double colonne pour distillation hétéroazéotropique discontinue


  • Résumé

    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.


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