Energy efficiency and green hydrogen are strategic pathways for industrial electrification and decarbonization. This PhD thesis explores two technological approaches: (1) improving energy efficiency in a batch distillation unit (BDU) used for solvent recovery, and (2) enhancing PEM electrolyzer performance under variable energy sources.
The first part investigates heteroazeotropic distillation for dehydration of methyl isobutyl ketone (MIBK), simulated via Aspen Plus (BatchSep module). Three configurations are studied: a conventional BDU (Mode I), a BDU with a decanter (Mode II), and a refluxless BDU (Mode III). A perfect decanter yields near-complete MIBK recovery. Mode III offers the fastest process but lowest recovery. The aqueous phase return fraction lower than 0.5 does not significantly impact MIBK recovery. Mode II, with a return fraction >0.5 for the MIBK-rich phase and <0.55 for the aqueous phase, outperforms Mode I. A perfect decanter in Mode II improves production rate and energy efficiency by 8%. Mode III surpasses Mode I if the total return fraction exceeds 0.7.
The second part analyzes the impacts of feed quantity, decanter design/control, holdup volume, and phase separation on performance. Feed quantity is recognized as a key factor influencing unit performance. Optimizing holdup volume suggests a larger aqueous and smaller organic phase improves recovery by up to 6% and production rate/energy cost by 7% versus conventional BDU. An inverted BDU with gradual feeding is also examined. Results show up to 17% improvement in energy and production rate, 7% higher recovery, and 9% shorter operation time compared to conventional design.
The third part explores distillation improvement via feeding strategies. Gradual feeding is found to be an efficient approach to upgrading the unit operation. Top feeding (inverted BDU) and decreasing feed flow rate proved to be the most efficient feeding, resulting in a 10% improvement in production rate and energy cost over a conventional BDU equipped with a decanter. Also, based on the gradual feeding strategy, feed preheating is proposed as a feasible heat integration technique in the batch distillation process. This strategy is found to be effective in process intensification, leading to a maximum of 47% improvement in energy efficiency and production rate compared to a conventional BDU equipped with a decanter.
In the fourth part, a PEMEL model is developed in Aspen Custom Modeler (ACM) based on empirical and semi-empirical correlations and introduced to Aspen Plus. The model aligns well with experimental data. It shows lower pressure improves performance, and raising temperature from 40 to 80 C reduces cell voltage by about 13.7% (from 2.24 to 1.93) at 2 A/cm. Accordingly, two operating strategies are proposed: (1) fixed circulating water flow and (2) fixed temperature. The PEMEL model supports both and is adaptable to variable power input.
RESUMEN
La eficiencia energética y el hidrógeno verde constituyen rutas estratégicas para la electrificación y descarbonización industrial. Esta tesis doctoral explora dos enfoques tecnológicos: (1) la mejora de la eficiencia energética en una unidad de destilación por discontinua (UDD) empleada para la recuperación de disolventes, y (2) la optimización del rendimiento de electrolizadores PEM bajo fuentes de energía variables.
La primera parte investiga la destilación heteroazeotrópica para la deshidratación de metil isobutil cetona (MIBK), simulada mediante Aspen Plus (módulo BatchSep). Se estudian tres configuraciones: una UDD convencional (Modo I), una UDD con decantador (Modo II), y una UDD sin reflujo (Modo III). Un decantador perfecto produce una recuperación de MIBK casi completa. El Modo III ofrece el proceso más rápido pero la menor recuperación. La fracción de retorno de la fase acuosa inferior a 0,5 no impacta significativamente la recuperación de MIBK. El Modo II, con una fracción de retorno >0,5 para la fase rica en MIBK y <0,55 para la fase acuosa, supera al Modo I. Un decantador perfecto en el Modo II mejora la tasa de producción y eficiencia energética en un 8%. El Modo III supera al Modo I si la fracción de retorno total excede 0,7.
La segunda parte analiza los impactos de la cantidad de alimentación, diseño/control del decantador, volumen de retención y separación de fases sobre el rendimiento. La cantidad de alimentación se reconoce como factor clave que influye en el rendimiento de la unidad. La optimización del volumen de retención sugiere que una fase acuosa mayor y una fase orgánica menor mejoran la recuperación hasta un 6% y la tasa de producción/costo energético en un 7% versus la UDD convencional. También se examina una UDD invertida con alimentación gradual. Los resultados muestran hasta un 17% de mejora en energía y tasa de producción, 7% mayor recuperación y 9% menor tiempo de operación comparado con el diseño convencional.
La tercera parte explora la mejora de la destilación mediante estrategias de alimentación. Se encuentra que la alimentación gradual es un enfoque eficiente para mejorar la operación unitaria. La alimentación superior (UDD invertida) y la disminución del caudal de alimentación demostraron ser la alimentación más eficiente, resultando en una mejora del 10% en tasa de producción y costo energético sobre una UDD convencional equipada con decantador. Asimismo, basándose en la estrategia de alimentación gradual, se propone el precalentamiento de la alimentación como una técnica factible de integración térmica en el proceso de destilación por lotes. Esta estrategia resulta efectiva en la intensificación del proceso, conduciendo a una mejora máxima del 47% en eficiencia energética y tasa de producción comparada con una UDD convencional equipada con decantador.
En la cuarta parte, se desarrolla un modelo PEMEL en Aspen Custom Modeler (ACM) basado en correlaciones empíricas y semi-empíricas e introducido en Aspen Plus. El modelo se alinea bien con los datos experimentales. Muestra que una menor presión mejora el rendimiento, y elevar la temperatura de 40 a 80 C reduce el voltaje de celda aproximadamente 13,7% (de 2,24 a 1,93) a 2 A/cm. En consecuencia, se proponen dos estrategias operativas: (1) flujo de agua circulante fijo y (2) temperatura fija. El modelo PEMEL soporta ambas y es adaptable a entrada de potencia variable.
Energy efficiency and green hydrogen are strategic pathways for industrial electrification and decarbonization. This PhD thesis explores two technological approaches: (1) improving energy efficiency in a batch distillation unit (BDU) used for solvent recovery, and (2) enhancing PEM electrolyzer performance under variable energy sources.
The first part investigates heteroazeotropic distillation for dehydration of methyl isobutyl ketone (MIBK), simulated via Aspen Plus (BatchSep module). Three configurations are studied: a conventional BDU (Mode I), a BDU with a decanter (Mode II), and a refluxless BDU (Mode III). A perfect decanter yields near-complete MIBK recovery. Mode III offers the fastest process but lowest recovery. The aqueous phase return fraction lower than 0.5 does not significantly impact MIBK recovery. Mode II, with a return fraction >0.5 for the MIBK-rich phase and <0.55 for the aqueous phase, outperforms Mode I. A perfect decanter in Mode II improves production rate and energy efficiency by 8%. Mode III surpasses Mode I if the total return fraction exceeds 0.7.
The second part analyzes the impacts of feed quantity, decanter design/control, holdup volume, and phase separation on performance. Feed quantity is recognized as a key factor influencing unit performance. Optimizing holdup volume suggests a larger aqueous and smaller organic phase improves recovery by up to 6% and production rate/energy cost by 7% versus conventional BDU. An inverted BDU with gradual feeding is also examined. Results show up to 17% improvement in energy and production rate, 7% higher recovery, and 9% shorter operation time compared to conventional design.
The third part explores distillation improvement via feeding strategies. Gradual feeding is found to be an efficient approach to upgrading the unit operation. Top feeding (inverted BDU) and decreasing feed flow rate proved to be the most efficient feeding, resulting in a 10% improvement in production rate and energy cost over a conventional BDU equipped with a decanter. Also, based on the gradual feeding strategy, feed preheating is proposed as a feasible heat integration technique in the batch distillation process. This strategy is found to be effective in process intensification, leading to a maximum of 47% improvement in energy efficiency and production rate compared to a conventional BDU equipped with a decanter.
In the fourth part, a PEMEL model is developed in Aspen Custom Modeler (ACM) based on empirical and semi-empirical correlations and introduced to Aspen Plus. The model aligns well with experimental data. It shows lower pressure improves performance, and raising temperature from 40 to 80 C reduces cell voltage by about 13.7% (from 2.24 to 1.93) at 2 A/cm. Accordingly, two operating strategies are proposed: (1) fixed circulating water flow and (2) fixed temperature. The PEMEL model supports both and is adaptable to variable power input.
RESUMEN
La eficiencia energética y el hidrógeno verde constituyen rutas estratégicas para la electrificación y descarbonización industrial. Esta tesis doctoral explora dos enfoques tecnológicos: (1) la mejora de la eficiencia energética en una unidad de destilación por discontinua (UDD) empleada para la recuperación de disolventes, y (2) la optimización del rendimiento de electrolizadores PEM bajo fuentes de energía variables.
La primera parte investiga la destilación heteroazeotrópica para la deshidratación de metil isobutil cetona (MIBK), simulada mediante Aspen Plus (módulo BatchSep). Se estudian tres configuraciones: una UDD convencional (Modo I), una UDD con decantador (Modo II), y una UDD sin reflujo (Modo III). Un decantador perfecto produce una recuperación de MIBK casi completa. El Modo III ofrece el proceso más rápido pero la menor recuperación. La fracción de retorno de la fase acuosa inferior a 0,5 no impacta significativamente la recuperación de MIBK. El Modo II, con una fracción de retorno >0,5 para la fase rica en MIBK y <0,55 para la fase acuosa, supera al Modo I. Un decantador perfecto en el Modo II mejora la tasa de producción y eficiencia energética en un 8%. El Modo III supera al Modo I si la fracción de retorno total excede 0,7.
La segunda parte analiza los impactos de la cantidad de alimentación, diseño/control del decantador, volumen de retención y separación de fases sobre el rendimiento. La cantidad de alimentación se reconoce como factor clave que influye en el rendimiento de la unidad. La optimización del volumen de retención sugiere que una fase acuosa mayor y una fase orgánica menor mejoran la recuperación hasta un 6% y la tasa de producción/costo energético en un 7% versus la UDD convencional. También se examina una UDD invertida con alimentación gradual. Los resultados muestran hasta un 17% de mejora en energía y tasa de producción, 7% mayor recuperación y 9% menor tiempo de operación comparado con el diseño convencional.
La tercera parte explora la mejora de la destilación mediante estrategias de alimentación. Se encuentra que la alimentación gradual es un enfoque eficiente para mejorar la operación unitaria. La alimentación superior (UDD invertida) y la disminución del caudal de alimentación demostraron ser la alimentación más eficiente, resultando en una mejora del 10% en tasa de producción y costo energético sobre una UDD convencional equipada con decantador. Asimismo, basándose en la estrategia de alimentación gradual, se propone el precalentamiento de la alimentación como una técnica factible de integración térmica en el proceso de destilación por lotes. Esta estrategia resulta efectiva en la intensificación del proceso, conduciendo a una mejora máxima del 47% en eficiencia energética y tasa de producción comparada con una UDD convencional equipada con decantador.
En la cuarta parte, se desarrolla un modelo PEMEL en Aspen Custom Modeler (ACM) basado en correlaciones empíricas y semi-empíricas e introducido en Aspen Plus. El modelo se alinea bien con los datos experimentales. Muestra que una menor presión mejora el rendimiento, y elevar la temperatura de 40 a 80 C reduce el voltaje de celda aproximadamente 13,7% (de 2,24 a 1,93) a 2 A/cm. En consecuencia, se proponen dos estrategias operativas: (1) flujo de agua circulante fijo y (2) temperatura fija. El modelo PEMEL soporta ambas y es adaptable a entrada de potencia variable. Read More
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