Reaktif distilasyon simülasyon modeli ile etil asestat üretim prosesinin analizi ve optimizasyonu

Abstract

ÖZET Reaktif Distilasyon, kimyasal reaksiyonlar ve ayırma işlemlerinin aynı bir distilasyon kolonu içinde gerçekleştirme işlemidir. Düşük sabit yatırım ve işletme giderleri sağlaması en büyük avantajlarıdır. Reaksiyonların türüne bağlı olarak, reaktif distilasyon ile daha yüksek dönüşüm ve ürün saflığı elde edilebilmektedir. Reaktif distilasyon kolonlarının gerçekçi bir similasyon ve tasarımı, özellikle sıvı ve buhar fazlarının non-idealitesini dikkate alan ayrıntılı bir model ile gerçekleştirilebilir. Bu tezde, güvenilir fiziko-termokimyasal özellik verileri ve denklemleri kullanan ve prosesin bütün ayrıntılarını dikkate alan bir reaktif distilasyon modeli geliştirildi. Asetik asid'in etil alkol ile esterleşme reaksiyonu örnek olarak seçildi ve model vasıtasıyla, yüksek dönüşüm, ürün saflığı ve geri kazanımını sağlayacak optimum proses şartlarının tespitine çalışıldı. Öncelikle, sıvı faz aktivite modelinin similasyon sonuçlarına etkisi incelendi ve özellikle yüksek dönüşümlerde, farklı sonuçlar elde edildi. Bu durum tasarım için en uygun aktivite modelinin seçimini zorlaştırmaktadır. Riflaks oranı, boil- up oranı, toplam tepsi sayısı, reaktanlann ve katalizörün kolona besleme yerleri, raf ve reboyler hacimleri, tepsi verimliliği, katalizör konsantrasyonu, asetik asit/etil alkol mol oranı gibi proses parametrelerinin etkileri `duyarlılık analizi` ile incelendi. Similasyon sonuçlan dönüşümü maksimize eden bir optimum riflaks oranının mevcut olduğunu göstermektedir. Boil-up oranı, tepsi-reboyler hacimleri, katalizör konsantrasyonu, tepsi verimliliği arttıkça dönüşüm artmaktadır. Tepsi sayısı ve reaktanlann besleme yerleri birarada dikkate alınması gerekli proses değişkenleri olup optimum değerlerinin tespiti için ayrıntılı analiz gerekmektedir. Reaktanlardan birinin aşırısının alınması ile dönüşümün oldukça arttığı görüldü. Bu parametre değişik şartlarda ayrıntılı olarak incelendi. Sonuç olarak, etil asetatın su-etil alkol-etil asetat azeotropu şeklinde üst ürün olarak, %95 dönüşüm %99.9 verim ile alınabileceği görüldü. Bu sonuçları sağlayan değişik kolon konfıgürasyonları arasında nihai tercihin, ekonomik optimizasyon çalışması ile yapılabileceği sonucuna varıldı.

ABSTRACT Reactive Distillation is the way of accomplishing chemical reaction(s) and separation processes in the same distillation column. Low fixed investment and operating costs are major advantages. According to the type of the reactions, one can obtain higher conversion and product purity. A realistic simulation and design studies of reactive distillation columns can only be accomplished with a model taking into account the non-ideality of liquid and vapor phases. In this thesis, a reactive distillation column model has been developed, which uses the most reliable physico-thermochemical properties equations and data, and considers full details of the process. The esterification of acetic acid with ethanol has been chosen as an example and with this model, optimum process conditions has been investigated, to accomplish high conversion, product purity and recovery. Firstly, the influence of liquid phase activity model on the simulation results has been investigated and different results have been obtained with Uniquac, model two modified Unifac models and a semi- empiric model, especially at high conversions. This situation makes difficult the selection of a suitable activity model for design purpose. The effects of process parameters namely; reflux ratio, boil-up ratio, total number of plates, the feed locations of reactants and catalyst, plates and reboiler holdups, plate efficiency, catalyst concentration, the molar ratio acetic acid/ethanol, have been investigated by sensivity analysis. The results show that an optimum reflux ratio exist, which maximises the conversion. By increasing boil-up ratio, plates-reboiler holdups, catalyst concentration and plate efficiency, the conversion increases also. Total number of plates and feed locations of reactants are process parameters which must be considered together and a detailed analysis is required to determine their optimum values. It is seen that by taking the excess of one reactant the conversion is increased considerably. This parameter is investigated in detail at various process conditions. As a result, it is seen that ethyl acetate product can be recovered in distillate as water-ethanol-ethyl acatede azeotrope with a recovery ratio of 99.7% and a conversion of 95%. It is concluded that an economic optimization study is needed for the final selection of various column configurations which accomplish this result.