Conceptual Design and Modeling of a Bio-based Butyraldehyde Production Process

Sammanfattning

Butyraldehyd, på grund av sin höga reaktivitet, fungerar som en viktig mellanled i produktionen av en mängd olika produkter, inklusive användningsområden såsom: hartser, lösningsmedel, färger, beläggningar, smörjmedel och mjukgörare. Den nuvarande industriella metoden för att producera butyraldehyd är genom hydroformylering av propen (reaktion med syntes gas), även kallad Oxo-syntes. Både propen och syntesgasen (CO och H₂) härrör från fossila resurser via energiintensiva processer. I kombination med växande miljöhänsyn och lagstiftning som kräver defossilisering av samhället och en övergång till förnybara kolkällor, krävs utvecklingen av mer hållbara alternativ. Följaktligen kan biobaserade alternativ, såsom bioetanol, utgöra ett gångbart alternativ. Mot bakgrund av potentialen hos en biobaserad väg, undersöker detta examensarbete konceptuell design och simulering av en hållbar produktionsprocess för att producera 50 000 ktpa av butyraldehyd med bioetanol som förnybart råmaterial. Processen baseras på reaktionssteg med heterogena katalysatorer, på grund av deras fördelar vad gäller separation från produktströmmen jämfört med homogena katalysatorbaserade processer. Den föreslagna biobaserade processen delas upp i tre tydliga reaktionssteg: (1) dehydrogenering av etanol till acetaldehyd; (2) aldolkondensation och dehydratisering av acetaldehyd till crotonaldehyd; (3) hydrering av crotonaldehyd till n-butyraldehyd. Denna tredelade sekvens kräver komplexa separationssteg. Även om vart och ett av de tre individuella stegen i den biobaserade metoden har studerats separat, har en sammanhängande process som integrerar alla tre steg för att producera n-butyraldehyd från etanol ännu inte undersökts i detalj. För att konceptualisera denna process genomfördes en detaljerad simulering i ASPEN Plus, där både reaktions- och separationsenheter integrerades, inklusive destillation, absorption och vätskefas-separation. Ett detaljerat processflödesschema togs fram och mass- och energibalans upprättades genom att inkludera lämpliga termofysikaliska modeller, reaktor dimensionering och hänsyn till katalysatorregenerering, samt en ekonomisk analys för att utvärdera processens genomförbarhet. Processanalysen visar att 124 800 ktpa etanol (96 vikt-%) krävs för önskad produktion. Tillräcklig mängd vätgas som biprodukt produceras i det första reaktionssteget för att användas i det slutliga hydreringsteget, vilket eliminerar behovet av extern vätgastillförsel. Överskott av oreagerad vätgas, som produceras med en hastighet av 3 480 ktpa, kan även ge intäkter genom kommersiell försäljning. Det totala energibehovet för processen är 231 MW, där steg 2 står för den största andelen med 177 MW. Den sammanlagda energiförbrukningen för alla separationsprocesser uppgår till 96,5 GJ per ton produkt, där återvinningskolonnen för acetaldehyd i steg 2 är mest energikrävande med 66,1 GJ per ton produkt. En anläggningsövergripande termisk integration kan implementeras för att tillgodose värmebehovet i processen och minska den totala energiförbrukningen. Detta examensarbete visar att bioetanol kan fungera som ett lovande råmaterial för hållbar produktion av n-butyraldehyd.