Tesi etd-06282026-161230 |
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Tipo di tesi
Tesi di laurea magistrale
URN
etd-06282026-161230
Titolo
Impianto Pilota per la produzione di Bio-Butanolo: Studio di Fattibilità
Dipartimento
INGEGNERIA CIVILE E INDUSTRIALE
Corso di studi
INGEGNERIA CHIMICA
Relatori
.
relatore Prof.ssa Brunazzi, Elisabetta
Parole chiave
- bio-butanol
- energy transition
- guerbet reaction
- process intensificatin
Data inizio appello
14/07/2026
Consultabilità
Non consultabile
Data di rilascio
14/07/2029
Riassunto (Inglese)
The energy transition towards sustainable and carbon-neutral development models represents the central challenge of the contemporary industrial landscape. In this scenario, scientific research is devoting increasing attention to new-generation advanced biofuels; among these, bio-butanol emerges as one of the most promising energy vectors, thanks to superior physico-chemical properties compared to traditional bio-alcohols.
Currently, one of the most widely recognized production routes is the synthesis of bio-butanol from bio-ethanol via the Guerbet reaction. However, this process entails high energy consumption, which is required by conventional distillation trains to purify the mixture exiting the reactor.
Therefore, in this thesis work, the principles of process intensification were applied to the bio-butanol recovery section with the ultimate goal of proposing an innovative solution aimed at drastically reducing the operating costs associated with the separation.
Consequently, the first part of this thesis focuses on the development of the Process and Basic Design of a pilot column. The execution of experimental tests on this unit will indeed be essential to practically evaluate the technological feasibility of this solution and to gather the real-world data necessary for the subsequent scale-up, such as the overall heat transfer coefficient (U) and the height equivalent to a theoretical plate (HETP).
Preliminary simulations, conducted on the standard cyclohexane/n-heptane test mixture, predict an energy saving at the reboiler of up to 63%.
Subsequently, the model was applied for rating purposes to the separation of the ethanol-water mixture, highlighting an OPEX saving between 10% and 17% compared to conventional distillation.
Finally, the geometry designed for the pilot plant was applied to a scaled-up design of the pure bio-butanol recovery section. The intensified equipment was then sized: the results demonstrate that the proposed configuration guarantees an energy saving of 21% and an OPEX saving of 11% compared to a conventional column.
Currently, one of the most widely recognized production routes is the synthesis of bio-butanol from bio-ethanol via the Guerbet reaction. However, this process entails high energy consumption, which is required by conventional distillation trains to purify the mixture exiting the reactor.
Therefore, in this thesis work, the principles of process intensification were applied to the bio-butanol recovery section with the ultimate goal of proposing an innovative solution aimed at drastically reducing the operating costs associated with the separation.
Consequently, the first part of this thesis focuses on the development of the Process and Basic Design of a pilot column. The execution of experimental tests on this unit will indeed be essential to practically evaluate the technological feasibility of this solution and to gather the real-world data necessary for the subsequent scale-up, such as the overall heat transfer coefficient (U) and the height equivalent to a theoretical plate (HETP).
Preliminary simulations, conducted on the standard cyclohexane/n-heptane test mixture, predict an energy saving at the reboiler of up to 63%.
Subsequently, the model was applied for rating purposes to the separation of the ethanol-water mixture, highlighting an OPEX saving between 10% and 17% compared to conventional distillation.
Finally, the geometry designed for the pilot plant was applied to a scaled-up design of the pure bio-butanol recovery section. The intensified equipment was then sized: the results demonstrate that the proposed configuration guarantees an energy saving of 21% and an OPEX saving of 11% compared to a conventional column.
Riassunto (Italiano)
La transizione energetica verso modelli di sviluppo sostenibili e a neutralità carbonica rappresenta la sfida centrale del panorama industriale contemporaneo. In questo scenario, la ricerca scientifica sta dedicando una crescente attenzione ai biocombustibili avanzati di nuova generazione; tra questi, il bio-butanolo si profila come uno dei vettori energetici più promettenti, grazie a proprietà chimico-fisiche superiori rispetto ai tradizionali bio-alcoli.
Una delle vie di produzione attualmente più accreditate è la sintesi di bio-butanolo da bio-etanolo via reazione di Guerbet. Tale processo manifesta tuttavia un elevato consumo energetico, richiesto dai treni di distillazione convenzionali per purificare la miscela in uscita dal reattore.
Nel presente lavoro di tesi sono stati pertanto impiegati i principi della intensificazione di processo alla sezione di recupero del bio-butanolo con il fine ultimo di proporre una soluzione innovativa volta ad abbattere drasticamente i costi operativi associati alla separazione.
Pertanto, la prima parte del presente lavoro di tesi si concentra sullo sviluppo del Process e del Basic Design di una colonna pilota. L'esecuzione di test sperimentali su tale unità risulterà infatti essenziale al fine di valutare concretamente la fattibilità tecnologica di questa soluzione e recuperare i dati reali necessari al successivo scale-up, quali il coefficiente globale di scambio termico (U) e l'altezza equivalente al piatto teorico (HETP).
Le simulazioni preliminari, condotte sulla miscela test standard ciclo-esano/n-eptano prevedono un risparmio energetico al ribollitore fino al 63%.
Successivamente, il modello è stato applicato in veste di rating alla separazione della miscela etanolo-acqua, evidenziando un OPEX saving compreso tra il 10% e il 17% rispetto alla distillazione classica.
Infine, la geometria progettata per l'impianto pilota è stata applicata a un design in scale-up della sezione di recupero del bio-butanolo puro. È stata quindi dimensionata l’apparecchiatura intensificata: i risultati dimostrano che l'assetto proposto garantisce un Energy saving del 21% e un OPEX saving dell'11% rispetto a una colonna convenzionale.
Una delle vie di produzione attualmente più accreditate è la sintesi di bio-butanolo da bio-etanolo via reazione di Guerbet. Tale processo manifesta tuttavia un elevato consumo energetico, richiesto dai treni di distillazione convenzionali per purificare la miscela in uscita dal reattore.
Nel presente lavoro di tesi sono stati pertanto impiegati i principi della intensificazione di processo alla sezione di recupero del bio-butanolo con il fine ultimo di proporre una soluzione innovativa volta ad abbattere drasticamente i costi operativi associati alla separazione.
Pertanto, la prima parte del presente lavoro di tesi si concentra sullo sviluppo del Process e del Basic Design di una colonna pilota. L'esecuzione di test sperimentali su tale unità risulterà infatti essenziale al fine di valutare concretamente la fattibilità tecnologica di questa soluzione e recuperare i dati reali necessari al successivo scale-up, quali il coefficiente globale di scambio termico (U) e l'altezza equivalente al piatto teorico (HETP).
Le simulazioni preliminari, condotte sulla miscela test standard ciclo-esano/n-eptano prevedono un risparmio energetico al ribollitore fino al 63%.
Successivamente, il modello è stato applicato in veste di rating alla separazione della miscela etanolo-acqua, evidenziando un OPEX saving compreso tra il 10% e il 17% rispetto alla distillazione classica.
Infine, la geometria progettata per l'impianto pilota è stata applicata a un design in scale-up della sezione di recupero del bio-butanolo puro. È stata quindi dimensionata l’apparecchiatura intensificata: i risultati dimostrano che l'assetto proposto garantisce un Energy saving del 21% e un OPEX saving dell'11% rispetto a una colonna convenzionale.
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