W niniejszym artykule szczegółowo przedstawiamy zaawansowany model konwencjonalnego procesu produkcji octanu butylu (BuAc), który został zaimplementowany w firmie Vichemic. Opisany proces oparty jest na transestryfikacji octanu metylu (MeAc) i butanolu (BuOH) w obecności katalizatora w reaktorze CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor). Octan butylu stanowi cenny produkt o wysokiej wartości dodanej, a jego produkcja ma na celu efektywne wykorzystanie MeAc, który jest produktem ubocznym wytwarzanym podczas produkcji poli(winylo)alkoholu (PVA). W artykule omówimy szczegółowo mechanizmy optymalizacji energetycznej i optymalizacji opartej na egzergii, a także przyjrzymy się wydajności procesu, jego trwałości oraz kosztom inwestycyjnym.
Model Procesu Produkcji Octanu Butylu
Proces produkcji octanu butylu polega na transestryfikacji octanu metylu (MeAc) i butanolu (BuOH) z udziałem katalizatora w reaktorze CSTR. Kluczowym celem tego procesu jest waloryzacja MeAc, który jest produktem ubocznym wykorzystywanym do produkcji poli(winylo)alkoholu (PVA). Aby uzyskać wysoką czystość produktu końcowego (BuAc), zastosowanie znajduje destylacja zmiennociśnieniowa, która pozwala na efektywne oddzielenie metanolu (MeOH) oraz wszelkich nieprzereagowanych substratów.
Proces produkcji Octanu Butylu jest skomplikowanym systemem, który można opisać przy pomocy czterech głównych funkcji celu:
- Minimalizacja całkowitej energii procesu – obniżenie zużycia energii w procesie produkcji.
- Minimalizacja obiegu recyrkulacji – zmniejszenie zużycia energii oraz optymalizacja procesów recyklingu materiałów.
- Maksymalizacja jakości metanolu – podwyższenie jakości metanolu, który jest recyklingowany do produkcji PVA.
- Minimalizacja kosztów inwestycyjnych – optymalizacja wymiarów urządzeń i instalacji, co prowadzi do niższych kosztów początkowych oraz zwiększonego bezpieczeństwa.
Optymalizacja Energetyczna i Oparta na Egzergii
W celu uzyskania jak najlepszych wyników, opracowano dwa różne MOOP (Multiple Objective Optimization Problems). Pierwszy z nich wykorzystuje kombinację funkcji celu J1, J3 i J4, podczas gdy drugi koncentruje się na J2, J3 i J4. Obie procedury optymalizacyjne mają na celu minimalizację całkowitej energii procesu, redukcję obiegu recyrkulacji oraz maksymalizację jakości metanolu.
Optymalizacja energetyczna polega na znalezieniu takich parametrów procesu, które pozwolą na zmniejszenie zapotrzebowania na energię. Ograniczenie obiegu recyrkulacji prowadzi do zmniejszenia ilości krążącej masy, co wpływa na niższe koszty inwestycyjne oraz lepsze parametry bezpieczeństwa instalacji. Optymalizacja oparta na egzergii natomiast pozwala na dokładniejszą ocenę entropii w systemie i dostarcza narzędzi do doskonalenia procesu pod kątem efektywności termodynamicznej. Analiza entropii jest wykorzystywana do dalszej optymalizacji w ramach iteracyjnych algorytmów NLP (Nonlinear Programming), co skutkuje bardziej efektywnym zarządzaniem energią w procesie.
Badanie Trwałości Procesu Produkcji Octanu Butylu
Trwałość procesu produkcji Octanu Butylu jest kluczowym aspektem oceny efektywności procesu w dłuższym okresie. W ramach analizy trwałości procesu koncentrujemy się na dwóch głównych aspektach:
- Minimalizacja obiegu recyrkulacji (zmniejszenie obiegu recyrkulacyjnego przyczynia się do zmniejszenia zużycia energii oraz zmniejszenia wymiarów urządzeń).
- Maksymalizacja jakości metanolu – poprawa jakości metanolu wpływa bezpośrednio na jego możliwość recyklingu i zwiększenie efektywności procesu produkcji PVA.
Zgodnie z tradycyjnymi standardami, jakość metanolu przeznaczonego do recyklingu do produkcji PVA określa się na poziomie >92,8%. Jednakże, za pomocą odpowiednich strategii optymalizacyjnych, możliwe jest uzyskanie wyższej jakości metanolu, co prowadzi do lepszych wyników ekonomicznych oraz większej efektywności procesu.
Podsumowanie i Wnioski
Proces produkcji Octanu Butylu jest złożonym procesem chemicznym, który wymaga precyzyjnego modelowania i optymalizacji w celu osiągnięcia jak najlepszych wyników pod względem efektywności energetycznej, trwałości i jakości produktu końcowego. Modelowanie procesu, w połączeniu z optymalizacją energetyczną oraz optymalizacją opartą na egzergii, umożliwia znaczną poprawę wyników produkcji.
Dzięki zastosowaniu odpowiednich strategii optymalizacyjnych, możliwe jest zmniejszenie zużycia energii, redukcja kosztów inwestycyjnych, oraz poprawa jakości metanolu wykorzystywanego do produkcji poli(winylo)alkoholu (PVA). Dalszy rozwój technologii oraz optymalizacja procesów w tym zakresie mają potencjał na dalsze osiągnięcia w produkcji Octanu Butylu, co może prowadzić do bardziej zrównoważonej i efektywnej produkcji w przyszłości.