Μοντελοποίηση και προσομοίωση διεργασίας εκχυλιστικής απόσταξης με χρήση ιοντικών υγρών για το διαχωρισμό του μίγματος αιθανόλης-νερού - Ράλλης, Κωνσταντίνος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ). Εργαστήριο Θερμοδυναμικής και Φαινομένων Μεταφοράς, 2018)
H παρούσα διπλωματική εργασία μελετά την ανάκτηση αιθανόλης καθαρότητας 99.5% κ.β. Η αιθανόλη που διαχωρίζεται είναι βιοαιθανόλη, που έχει προκύψει από την ζύμωση υπολείμματος καλαμποκιού. Για το σκοπό αυτό, προτείνεται η διεργασία της εκχυλιστικής απόσταξης με χρήση ιοντικών υγρών ως διαλύτες (entrainers), μιας νέας κατηγορίας διαλυτών με σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι των κλασσικών. Η προσθήκη του ιοντικού υγρού έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της σχετικής πτητικότητας της αιθανόλης ως προς το νερό με αποτέλεσμα τη μετακίνηση του αζεοτρόπου σε υψηλότερες συγκεντρώσεις αιθανόλης και την εξαφάνιση του σε υψηλότερες αναλογίες ιοντικού υγρού/μίγμα βιοαιθανόλης. Ως προϊόντα της εκχυλιστικής απόσταξης λαμβάνεται στην κορυφή της στήλης αιθανόλη, που ικανοποιεί την προδιαγραφή καθαρότητας, και στον πυθμένα μίγμα νερού/ιοντικού υγρού το οποίο στη συνέχεια διαχωρίζεται προκειμένου το ιοντικό υγρό να ανακυκλωθεί στην αποστακτική στήλη. Η προτεινόμενη διεργασία συγκρίνεται με τη συνήθη διεργασία που ακολουθείται για την ανάκτηση βιοαιθανόλης, δηλαδή ατμοσφαιρική κλασματική απόσταξη για τη λήψη αζεοτροπικού μίγματος αιθανόλης-νερού ακολουθούμενη από περαιτέρω αφυδάτωση του προϊόντος με προσρόφηση σε μοριακά κόσκινα ώστε να ικανοποιείται η προδιαγραφή της καθαρότητας του τελικού προϊόντος σε αιθανόλη. Η μελέτη των διεργασιών διαχωρισμού πραγματοποιήθηκε στο περιβάλλον προσομοίωσης Aspen Plus.Τα ιοντικά υγρά που εξετάστηκαν είναι το 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate ([EMIM][BF4]), το οποίο αποτελεί ένα από τα πρώτα ιοντικά υγρά που μελετήθηκαν στη βιβλιογραφία και το 2-hydroxyethylammonium acetate(2-HEAA), το οποίο έχει μελετηθεί γι’ αυτό το σκοπό στο Εργαστήριο Θερμοδυναμικής και Φαινομένων Μεταφοράς του ΕΜΠ, που σε σύγκριση με άλλα, κυρίως ιμιδαζολικά ιοντικά υγρά, εμφανίζει σημαντικά πλεονεκτήματα με κυριότερα την ευκολία σύνθεσής του, τη βιοαποικοδομησιμότητα του και τη μη τοξικότητά του. Ένα από τα προβλήματα που αντιμετωπίστηκαν κατά την προσομοίωση της συμπεριφοράς των ιοντικών υγρών είναι η έλλειψη πειραματικών δεδομένων διαφόρων ιδιοτήτων που είναι απαραίτητες για την προσομοίωση των διεργασιών. Στη συγκεκριμένη εργασία σημαντικό ρολό παίζουν η τάση ατμών και η ειδική θερμοχωρητικότητα του ιοντικού υγρού. Ιδιαίτερα όσο αφορά τη θερμοχωρητικότητα, είναι εξαιρετικά σημαντική για τον καθορισμό των ενεργειακών απαιτήσεων της διεργασίας. Για το λόγο αυτό, μελετήθηκαν και συγκρίθηκαν βιβλιογραφικές μέθοδοι πρόβλεψης της θερμοχωρητικότητας που βασίζονται στην αρχή της συνεισφοράς ομάδων. ii Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης των διεργασιών ανάκτησης της βιοαιθανόλης έδειξαν ότι και τα δύο ιοντικά υγρά μπορούν να χρησιμοποιηθούν με επιτυχία για την ανάκτηση της αιθανόλης. Οι ενεργειακές απαιτήσεις της διεργασίας δεν διαφοροποιούνται σημαντικά ανάλογα με το ιοντικό υγρό που χρησιμοποιείται. Όμως το ιοντικό υγρό 2-HEAA πλεονεκτεί αναφορικά με την απαιτούμενη μαζική παροχή του στη στήλη εκχυλιστικής απόσταξης η οποία αποτελεί περίπου το 25% της αντίστοιχης παροχής του [EMIM][BF4]. Τέλος, η σύγκριση της διεργασίας της εκχυλιστικής απόσταξης με ιοντικά υγρά με τη διεργασία διαχωρισμού με απόσταξη και μοριακά κόσκινα έδειξε ότι οι ενεργειακές απαιτήσεις του διαχωρισμού με ΙΥ είναι περίπου 28% χαμηλότερες σε σχέση με το διαχωρισμό με μοριακά κόσκινα της δεύτερης, γεγονός που αναδεικνύει την εκχυλιστική απόσταξη ως μια υποσχόμενη εναλλακτική διεργασία, η οποία αξίζει να μελετηθεί περαιτέρω.