Increasing energy efficiency in biorefineries

Abstract

The aim of this thesis was to review the energy consumption of different biorefinery processes and to find ways to analyze and improve their energy efficiency. In the literature part of this thesis different methods to design energy efficient biorefinery and other chemical processes are reviewed and the overall energy balance of different biofuel process concepts is evaluated based on available case studies. A large part of process design and process energy efficiency lies in accurate process simulation. An overview of different activity coefficient and equation of state methods used to model non-ideal systems in biorefineries is also presented in the literature part of this thesis. In the experimental part of this thesis the accuracy of different thermodynamic methods was evaluated for a bioethanol process case study. From the process simulation results a pinch analysis was constructed and the energy saving potential of the process was determined. The most accurate choice of thermodynamic method for the case simulation was observed to be UNIQUAC-HOC based on experimental and modelled binary and ternary VLE-data comparison. The pinch analysis of the process shows a possibility of saving 36 % heating and 47% of cooling energy consumption compared to the original heat exchanger network design. However, this is based on a theoretical heat exchanger network and its effect on the process operability should be studied first before further implementation.

Tämän diplomityön tavoitteena oli suorittaa katsaus erityyppisten biojalostamoiden energiankulutuksesta ja -tehokkuudesta. Kirjallisuusosassa tarkastellaan erilaisia energiatehokkaita suunnitteluratkaisuita biojalostamoissa ja prosessiteollisuudessa. Lisäksi käydään läpi erilaisten biopolttoaineprosessien energiasuhdetta perustuen kirjallisuudesta saataviin tapaustutkimuksiin. Tärkeä osa prosessisuunnittelua ja energiatehokkuutta on prosessisimulaation rakentaminen. Kirjallisuusosassa käydään läpi erilaisia aktiviteettikerroin- ja tilanyhtälömalleja, joiden avulla voidaan mallintaa monissa biojalostamoprosesseissa esiintyviä epäideaaleja systeemejä. Tämän työn kokeellisessa osassa tarkasteltiin eri termodynaamisten menetelmien tarkkuutta bioetanoliprosessin mallintamisessa. Prosessisimulaation tuloksia käyttäen prosessille tehtiin pinch analyysi jonka perusteella prosessin energiansäästöpotentiaali määritettiin. Kaikista tarkimmaksi termodynaamiseksi menetelmäksi tarkastellulle prosessille havaittiin olevan UNIQUAC-HOC perustuen kokeellisen ja mallinnetun kaasu-neste tasapainon vertailuun. Prosessin pinch analyysi osoitti, että prosessissa voitaisiin säästää 36 % lämmityskustannuksissa ja 47 % jäähdytyskustannuksissa. Tämä perustuu kuitenkin vain teoreettiseen lämmönsiirtoverkkoon, jonka vaikutus todellisen prosessin ajettavuuteen täytyy vielä tutkia.