Improvement, optimisation of rectifying and absorber-desorber systems  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
106268
Type K
Principal investigator Láng, Péter
Title in Hungarian Rektifikáló és abszorber-deszorber rendszerek tökéletesítése, optimalizálása
Title in English Improvement, optimisation of rectifying and absorber-desorber systems
Keywords in Hungarian desztilláció, abszorpció, optimalizálás, szabályozás, új konfigurációk, számítógépi szimuláció
Keywords in English distillation, absorption, optimisation, control, new configurations, simulation
Discipline
Flow and Thermal Technology (Council of Physical Sciences)65 %
Ortelius classification: Thermal engineering
Chemical Engineering (Council of Physical Sciences)35 %
Ortelius classification: Industrial chemistry
Panel Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent Department of Building Service Engineering and Process Engineering (Budapest University of Technology and Economics)
Participants Balázs, Tibor
Dénes, Ferenc
Groniewsky, Axel
Hégely, László
Modla, Gábor
Starting date 2013-01-01
Closing date 2016-06-30
Funding (in million HUF) 19.956
FTE (full time equivalent) 6.23
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A projekt a desztillációs és abszorpciós-deszorpciós rendszerek tökéletesítését és energetikai optimalizálását célozza a vezető kutató eddigi kutatásainak szerves folytatásaként. Bár ezen alapvető fontosságú ellenáramú szétválasztó műveletek gyakorlati megvalósítása lényegesen eltér egymástól, de modellezésük azonos elméleti alapokon nyugszik, és például azonos folyamatszimulátorokkal elvégezhető.
A desztilláció a vegyiparban leggyakrabban alkalmazott, nélkülözhetetlen, de nagy energiaigényű elválasztó művelet. A szakaszos desztilláló berendezések optimális tervezése és működtetése nagy energiamegtakarítást eredményezhet. A képződő hulladék-oldószer elegyek (pl. klórozott szénhidrogének) regenerálása nemcsak a gazdasági, hanem a környezetvédelmi szempontból is kulcsfontosságú. Az azeotrop elegyek hatékony szétválasztására speciális (pl. heteroazeotrop, nyomásváltó, extraktív) desztillációs módszereket kell alkalmazni. Ezek eddig szakaszos üzemmódban még nem terjedtek el az iparban. A desztillációs kutatások célja a vezető kutató és munkatársai által kidolgozott új speciális desztillációs eljárások és konfigurációk tökéletesítése külföldi partnerrel (INP Toulouse).
A füstgázok tisztítása általában abszorber-deszorber rendszerekben történik. Napjaink egyik fő környezetvédelmi feladata az erőművek CO2-kibocsátásának csökkentése. A legígéretesebb megoldásnak az égetés utáni elnyeletést („post-combustion capture”) tartják, amely reaktív abszorpcióval történik. A megoldandó probléma a deszorpció nagy energiaigényének csökkentése. A projektbeli kutatások célja az energiaigény-csökkentési lehetőségek tanulmányozása számítógépi szimulációval ezek tökéletesítése céljából.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

A szakaszos desztillációs kutatások alapvető célja új szétválasztási eljárások kidolgozása, illetve a meglévő eljárások energiaigényének csökkentése, illetve a kinyerés növelése.
Néhány, a projekt keretében megválaszolandó kérdés:
1. A desztilláló üzemekben alkalmazott párlat-visszaforgatás milyen hatással van a művelet gazdaságosságára (pl. fajlagos energiaigény)? Milyen arányban kell a szennyező komponenseket tartalmazó párlatokat visszaforgatni (a célkomponens veszteségének csökkentése érdekében), illetve égetésre vinni?
2. Milyen módon kell alkalmazni a szakaszos extraktív desztillációs eljárást, amikor a szolvenssel kimosandó komponens nem szennyező, hanem nagy koncentrációban jelenlévő célkomponens?
3. A szakaszos extraktív desztillációnál hogyan lehet minimalizálni a bevitt szétválasztó ágens (szolvens) mennyiségét (pl. szabályozás segítségével)?

Az abszorpciós kutatások alapvető célja a szén-dioxid elnyeletés fajlagos energiaigényének csökkentése.
Néhány, a projekt keretében megválaszolandó kérdés:
1. Az irodalomban javasolt nagyszámú eljárás (pl. közbenső hűtés az abszorberben, gazdag szolvens megosztása stb.) közül melyek a legígéretesebbek?
2. A legjobb eljárások egymással kombinálhatók-e?
3. Melyik abszorbens nyújtja a legkisebb energiaigényt az eddig legelterjedtebben vizsgáltak (pl. MEA, MDEA, NH3) közül?

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

A desztillációs kutatások olyan új szétválasztási technológiák elméleti alapjait teremtik meg, melyek például a gyógyszeriparban alkalmazhatók a hulladék oldószerelegyekből az értékes komponensek visszanyerésére. A már meglévő technológiák javíthatók, energiaigényük csökkenthető, az értékes komponensek kinyerése növelhető.
Az abszorpciós-deszorpciós kutatásaink érdemben hozzájárulhatnak a szén-dioxid kibocsátás csökkentésére világszerte nagy erőkkel végzett kutatómunka eredményességéhez. Ezirányú kutatásaink segítik az elkövetkezendő évtizedben várhatóan hazánkban is bevezetendő technológiák megismerését, megértését és befogadását.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A projekt az ellenáramú szétválasztó műveletek közül az alapvető fontosságú desztillációs és abszorpciós-deszorpciós rendszerek tökéletesítését és energetikai optimalizálását célozza. Bár e műveletek gyakorlati megvalósítása eltér egymástól, de modellezésük azonos elméleti alapokon nyugszik, és azonos folyamatszimulátorokkal elvégezhető.
A desztilláció a vegyiparban leggyakrabban alkalmazott, nélkülözhetetlen, de nagy energiaigényű elválasztó művelet. A desztilláló berendezések optimális tervezése és működtetése nagy energiamegtakarítást eredményezhet a gyógyszer- és vegyiparban. A képződő hulladék-oldószer elegyek regenerálása gazdasági és környezetvédelmi szempontból is kulcsfontosságú. Az azeotrop elegyek hatékony szétválasztására speciális (extraktív, heteroazeotrop, nyomásváltó) desztillációs módszereket kell alkalmazni. Ezek eddig szakaszos üzemmódban még nem terjedtek el az iparban, pedig az sok esetben előnyösebb a folyamatosnál. A desztillációs kutatások célja a vezető kutató által – nemzetközi együttműködésben – kidolgozott új szakaszos speciális desztillációs eljárások és konfigurációk tökéletesítése.
A füstgázok tisztítása általában abszorber-deszorber rendszerekben történik (folyadékban való elnyeletés, majd kihajtás pl. hőközlés hatására). Napjaink egyik fő környezetvédelmi feladata az erőművek CO2-kibocsátásának csökkentése. Ennek megvalósítása is abszorpcióval történik. A legígéretesebb megoldásnak az égetés utáni elnyeletést tartják, amely reaktív abszorpcióval történik. A megoldandó probléma a deszorpció nagy energiaigényének csökkentése. Célunk a legújabb energiaigény-csökkentési módszerek tanulmányozása szimulációval ezek tökéletesítése céljából.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

The goals of the project are improvement and energetic optimisation of distillation and absorption-desorption systems as the direct continuation of the leading researcher’s works done until now. Although the practical realisations of these countercurrent separation methods of primary importance are significantly different, their modelling has the same theoretical bases and can be done with the same flow-sheet simulators.
Distillation is the most frequent, indispensable separation method in the chemical industries having very high energy demand. Optimal design and operation of batch distillation columns may result in great energy saving. The regeneration of waste solvent mixtures (e.g. halogenated hydrocarbons) is crucial from both economic and environmental points of view. For the efficient separation of azeotropic mixtures a special (extractive, heteroazeotropic, pressure swing) distillation method must be applied. In the industry these methods are not widespread in batch mode, at all. The main aim of the distillation research is improvement of new special batch distillation methods and configurations elaborated by the leading researcher and his colleagues with a foreign partner (INP Toulouse).
The purification of the flue gases is performed mainly in absorber-desorber systems. One of the most actual environmental tasks is reduction of the CO2-emission of power plants. The post-combustion capture is considered as the most promising solution, which is performed by reactive absorption. The problem to be solved is the reduction of the high energy demand of the desorption. Our aim is to study its possibilities by computer simulation in order to improve them.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

The fundamental aim of the distillation research works is the elaboration of new separating methods and the reduction of energy demand and the increase of recovery of existing methods, respectively.
Some questions to be answered within the framework of the project:
1. Which effect has the distillate recycling applied in the distillation plants on the economy of the operation (specific energy demand)? In which proportion the distillate fractions containing polluting components have to be recycled and sent to combustion (in order to minimise the loss of the component to be produced)?
2. In which way the batch extractive distillation (BED) has to be applied when the component to be extracted by the solvent is not a polluting one but the main component to be recovered?
3. How can the quantity of the separating agent (solvent) fed be minimised in BED (e.g. by control)?

The fundamental aim of our absorption research works is the reduction of the specific energy demand of carbon-dioxide capture.
Some questions to be answered within the framework of the project:
1. Which methods are the most promising ones amongst the great number of methods proposed in the literature (e.g. intermediate cooling in the absorber, division of the rich solvent)?
2. Can the best methods be combined?
3. Which absorbent does give the lowest energy demand amongst the most frequently studied ones (e.g. MEA, MDEA, NH3)?

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

The distillation research work creates the theoretical bases of such new separating technologies, which can be applied e.g. in the pharmaceutical industry for the recovery of valuable components from waste solvent mixtures. The already existing technologies can be improved, their energy demand can be reduced, recovery of the valuable components can be increased.
Our research dealing with absorption-desorption contributes to the success of the worldwide, intensive research work for the reduction of carbon-dioxide emission. Our research helps understanding and reception of this technology probably to be introduced in Hungary in the following decade.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

The goals of the project are improvement and energetic optimisation of such countercurrent separation methods of primary importance, like distillation and absorption-desorption systems. Although the practical realisations of these methods are different, their modelling has the same theoretical bases and can be done with the same flow-sheet simulators.
Distillation is the most frequent, indispensable separation method in the chemical industries having very high energy demand. Optimal design and operation of distillation columns may result in great energy saving in the chemical and pharmaceutical industries. The regeneration of waste solvent mixtures is crucial from both economic and environmental points of view. For the efficient separation of azeotropic mixtures a special (extractive, heteroazeotropic, pressure swing) distillation method must be applied. In the industry these methods are not widespread in batch mode, at all. The aim of the distillation research is improvement of new special batch distillation methods and configurations elaborated by the leading researcher in international collaboration.
The purification of the flue gases is performed mainly in absorber-desorber systems (absorption in liquid then stripping e.g. by heating). One of the most actual environmental tasks is reduction of the CO2-emission of power plants. The post-combustion capture is considered as the most promising solution, which is performed by reactive absorption. The problem to be solved is the reduction of the high energy demand of the desorption. Our aim is to study the latest methods for reduction of energy demand by simulation in order to improve and optimise them.





 

Final report

 
Results in Hungarian
A projekt fő célkitűzése a legelterjedtebb, nélkülözhetetlen vegyipari szétválasztó műveletek a desztilláció és abszorpció-deszorpció tökéletesítése, optimalizálása volt, elsősorban az igen nagy energiaigény csökkentése. A vizsgálatok főleg a szakaszos desztillációs módszerekre vonatkoztak, beleértve a speciális (heteroazeotrop és extraktív) módszereket is, ahol a vezető kutató és munkatársai korábban új módszereket és konfigurációkat javasoltak. A változó dekanter hold-upú szakaszos heteroazeotrop desztillációra kidolgozott modellünket továbbfejlesztettük a szakaszos heteroextraktív desztilláció leírására. Egy ipari szétválasztási feladat kapcsán módszert dolgoztunk ki párlatvisszaforgatással történő szakaszos (SZD) és szakaszos extraktív desztilláció (SZED) genetikus algoritmussal való optimalizálására. A SZED-re új üzemeltetési módot javasoltunk és vizsgáltunk. Az erőművi füstgázok CO2-tartalmának megkötését vizes MEA-val végző abszorpció-deszorpciós eljárást vizsgáltuk szimulációval. A deszorpció nagy energiaigényének csökkentésére két eljárást optimalizáltunk. Vizsgálatokat végeztünk a szakaszos rektifikálás energiaigényének két különböző hőszivattyús módszer (fejgőz kompressziója, illetve munkaközeg) alkalmazásával történő csökkentésére. Minimális forráspontú azeotrop elegyek folyamatos extraktív desztillációval történő elválasztására különböző energia megtakarítási lehetőségeket (termikus csatolású és osztott falú kolonnák) vizsgáltunk.
Results in English
The main goals of the project were the improvement and optimisation of the distillation and absorption-desorption, which are the most wide-spread, indispensable separation methods of the chemical industries, primarily the reduction of their very high energy demand. We studied mainly the batch distillation methods including the special (extractive and heteroazeotropic) methods, where the leading researcher had developed new methods and configurations with his colleagues. Our model for the batch heteroazeotrop distillation with variable hold-up was extended for the heteroextractive distillation. On the example an industrial separation problem we developed a method for the GA optimisation of the conventional batch distillation (BD) and batch extractive distillation (BED) with off-cut recycle. A new operational policy for the BED was studied and optimised. The reduction of CO2 content of the flue gases of power plants by absorption-desorption with aqueous MEA was studied by simulation. We optimised two methods for the reduction of the high energy demand of desorption. We investigated the possibility for decreasing the energy demand of the batch distillation with two different heat pump systems (vapour recompression, vapour compression). Different energy saving possibilities (thermal coupling and divided wall column) for the separation of minimum azeotropes with continuous extractive distillation were studied by simulation.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=106268
Decision
Yes





 

List of publications

 
L Hegely, V Gerbaud, P Lang: Generalised model for heteroazeotropic batch distillation with variable decanter hold-up, SEP PURIF TECHNOL 115: 9-19, 2013
G Modla, P Lang: Heat pump systems with mechanical compression for batch distillation, ENERGY 62: 403-417, 2013
G Modla, P Lang: Energy Saving for Batch Distillation with Mechanical Heat Pumps, CHEM ENG TRANS 35: 301-306, 2013
G Modla, P Lang: Párakompressziós hőszivattyús rendszerek szakaszos desztillációra, In: Műszaki Kémiai Napok 2013. Veszprém: Pannon Egyetemi Kiadó, 2013. pp. 27-38., 2013
Gács Iván, Groniewsky Axel, Sándor Csaba, Láng Péter, Buzea Klaudia, Gebhardt Gábor, Hegyfalvi Csilla, Csaba Márton: Szén-dioxid leválasztás és eltárolás, Budapest: BME Energetika Tanszék, 134 p. (Fenntartható energetika), 2013
L Hegely, P Lang, G Kovacs: A New Batch Extractive Distillation Operational Policy for Methanol Recovery, CHEM ENG TRANS 35: 949-954, 2013
L Hegely, P Lang, V Gerbaud: Off-cut Recycle for Batch and Batch Extractive Distillation Separation of a Multicomponent Azeotropic Mixture, CHEM ENG TRANS 35: 967-972, 2013
L Hegely, V Gerbaud, P Lang: Generalised model for heteroazeotropic batch distillation with variable decanter hold-up, SEP PURIF TECHNOL 115: 9-19, 2013
L. Hegely: IMPROVEMENT OF BATCH DISTILLATION SEPARATION OF AZEOTROPIC MIXTURES, INPT, 2013
G. Modla: Energy saving methods for the separation of a minimum boiling point azeotrope using an intermediate entrainer, Energy 50: 103-109, 2013
Denes F, Joulia X, Lang P: Validation of a new double-column system for heteroazeotropic batch distillation by dynamic simulation and experiments, COMPUTER-AIDED CHEMICAL ENGINEERING 33: 157-162, 2014
G Modla, P Lang: Batch distillation with heat pump applying different working fluids, In: DECHEMA (szerk.) (szerk.) 10th International Conference on DISTILLATION & ABSORPTION 2014 . Friedrichshafen, Németország, 2014.09.14-2014.09.17. Kiadvány: Frankfurt: DECHEMA, 2014. pp. 69-75., 2014
Hegely L, Lang P: Optimization of Entrainer Feeding in Batch Extractive Distillation, COMPUTER-AIDED CHEMICAL ENGINEERING 33: 1177-1182, 2014
L Hegely, P Lang: Optimization of an industrial batch extractive distillation process, In: DECHEMA (szerk.) (szerk.) 10th International Conference on DISTILLATION & ABSORPTION 2014 . Friedrichshafen, Németország, 2014.09.14-2014.09.17. Kiadvány: Frankfurt: DECHEMA, 2014. pp. 94-99., 2014
L Hegely, V Gerbaud, P Lang: General model for studying the feasibility of heterogeneous extractive batch distillation, IND ENG CHEM RES 53: (45) 17782-17793, 2014
L Hegely, V Gerbaud, P Lang: Általános modell a szakaszos heterogén extraktív desztilláció megvalósíthatóságának vizsgálatára, In: Mizsey Péter, Bokrossy-Csiba Mária, Törcsváryné Kovács Zsuzsanna (szerk.) (szerk.) Műszaki Kémiai Napok 2014 Konferencia Kiadvány: Conference of Chemical Engineering Conference Proceeding 2014. Veszprém: Pannon Egyetemi Kiadó, 2014. pp. 57-63., 2014
Modla G, Lang P: Batch Distillation with Vapour Compression Applying Different Working Fluids, COMPUTER-AIDED CHEMICAL ENGINEERING 33: 1195-1200, 2014
Modla G., Láng P.: Hőszivattyú szakaszos desztillációhoz: Különböző munkaközegek összehasonlítása, Műszaki Kémiai Napok 2014 Veszprém, Magyarország, 2014.05.14-16. 98-106 o.. (ISBN:978-963-396-010-3, 2014
Modla G., P. Lang: Vapour Compression for Batch Distillation: Comparison of Different Working Fluids, Ind. Eng. Chem. Res., DOI:10.1021/ie504023q, 2015
Laszlo Hegely, Peter Lang: Optimization of Batch Extractive Distillation with Off-cut Recycle and Varying Feed Composition, COMPAIDED CHEMI ENG 38: 1677-1682, 2016
Laszlo Hegely, Peter Lang: Optimization of a batch extractive distillation process with recycling off-cuts, J CLEAN PROD -:, 2016
Láng Péter, Hégely László, Nagy Dávid, Dénes Ferenc: Simulation Study of Amine-based CO2 Absorption, In: Sándor Bodzás, Tamás Mankovits (szerk.) (szerk.) Proceedings of the 3rd International Scientific Conference on Advances in Mechanical Engineering (ISCAME 2015). Debrecen: University of Debrecen Faculty of Engineering, 2015. pp. 96-101., 2015
Laszlo Hegely, Peter Lang: Optimisation of a Batch Extractive Distillation Process with Off-cut Recycle, CHEM ENG TR 45: 1117-1122, 2015
Laszlo Hegely, Peter Lang: The effect of charge composition on the optimal operational parameters of a batch extractive distillation process, In: Krist V Gernaey, Jakob K Huusom, Rafiqul Gani (szerk.) (szerk.) 12th International Symposium on Process Systems Engineering and 25th European Symposium on Computer Aided Process Engineering. Amsterdam: Elsevier, 2015. pp. 1409-1414. (Computer-Aided Chemical Engineering; 37.), 2015
Modla G, Lang P: Vapor Compression for Batch Distillation: Comparison of Different Working Fluids, IND ENG CHEM RES 54: (3) 1081-1092, 2015
L Hegely, V Gerbaud, P Lang: General model for studying the feasibility of heterogeneous extractive batch distillation, IND ENG CHEM RES 53: (45) 17782-17793, 2014
L Hegely, V Gerbaud, P Lang: Általános modell a szakaszos heterogén extraktív desztilláció megvalósíthatóságának vizsgálatára, In: Mizsey Péter, Bokrossy-Csiba Mária, Törcsváryné Kovács Zsuzsanna (szerk.) (szerk.) Műszaki Kémiai Napok 2014 Konferencia Kiadvány: Conference of Chemical Engineering Conference Proceeding 2014. Veszprém: Pannon Egyetemi Kiadó, 2014. pp. 57-63., 2014
L Hegely, V Gerbaud, P Lang: General model for studying the feasibility of heterogeneous extractive batch distillation, IND ENG CHEM RES 53: (45) 17782-17793, 2014
L Hegely, P Lang, V Gerbaud: Off-cut Recycle for Batch and Batch Extractive Distillation Separation of a Multicomponent Azeotropic Mixture, CHEM ENG TR 35: 967-972, 2013





 

Events of the project

 
2013-12-06 14:06:24
Résztvevők változása




Back »