Investigation of Vapor-liquid and liquid-liquid equilibria by COSMO-RS

Abstract

Die Aceton-Butanol-Ethanol-Fermentation (ABE Fermentation) ist ein vielversprechendes Verfahren zur Produktion erneuerbarer Treibstoffe und Lösungsmittel aus vielfältigen Arten von Biomasse. Eine Herausforderung bei der Entwicklung eines effizienten und kontinuierlichen Produktionsverfahrens ist dabei die niedrige Produktkonzentration der Lösungsmittel nach der Fermentation, die eine Folge der Produktinhibierung der produzierenden Mikroorganismen ist. Daher ist eine kontinuierliche Abtrennung aus der Fermentationsmaische mit nachfolgender Aufkonzentrierung für ein kontinuierliches Verfahren erforderlich. Neben anderen ist die organophile Pervaporation ein aussichtsreicher Kandidat für eine energieeffiziente Trenntechnologie in diesem Umfeld. Zur Auslegung und Optimierung des Trennverfahrens ist die genaue Kenntnis der Mischungseigenschaften wässriger Aceton-Butanol-Ethanol-Lösungen bei verschiedenen Zusammensetzungen, Temperaturen und Drücken ausschlaggebend. Die wesentlichsten Stoffdaten sind dabei Reinstoffdampfdrücke, Aktivitätskoeffizienten, Flüssig-Flüssig-Gleichgewichte (LLE) und Flüssig-Dampf-Gleichgewichte (VLE) in binären, ternären und quaternären Systemen. Diese Daten sind ansatzweise in der Literatur dokumentiert aber oft nicht in ausreichender Menge oder in fragwürdiger Konsistenz verfügbar. Diese Stoffeigenschaften sind auf der anderen Seite aber auch über moderne ab-initio-Simulationsverfahren zugänglich. Eine vielversprechende und leistungsfähige Methode ist in diesem Zusammenhang COSMO-RS, die im Rahmen dieser Arbeit untersucht wurde. Zusätzlich wurden auch noch die Aktivitätskoeffizienten-Modelle wie NRTL und UNIQUAC, die über die Simulationsumgebung Aspen Plus verfügbar sind, für dieses Stoffsystem herangezogen und mit den Ergebnissen aus der Literatur und von COSMO-RS verglichen. Der Vergleich von COSMO-RS und Aspen Plus mit den Literatur Daten ergab die TZVPD-Fine (COSMOtherm) und UNIQUAC LLE (Aspen Plus) Optionen als vielversprechend für die Berechnung des Phasengleichgewichts im ABE Prozess.

Acetone-Butanol-Ethanol fermentation (ABE Fermentation) is a very promising method for production of renewable liquid fuels and solvent from various sources of biomass. One of the problems that is hindering commercial development of the fermentation process is the fact that it suffers severely from product inhibition, caused principally by butanol. One way to overcome this problem would be to couple the fermentation process to a continuous product removal technique, so that inhibitory product concentrations are never reached. An organophilice pervaporation is a candidate for an energy efficient separation technology in this environment. To design and optimize the separation method the exact knowledge of properties of aqueous acetone-butanol-ethanol mixture with different compositions, temperatures and pressures are determining. The most important property data are pure component vapor pressure, as well as activity coefficient, liquid-liquid-equilibrium (LLE) and vapor-liquid-equilibrium (VLE) in binary, ternary and quaternary systems. These data are documented to some extent in literature but often not in sufficient amount or only at questionable consistence available. These substance data are on the other hand accessible via modern ab-initio-simulation method. A very promising and efficient method in this context is COSMO-RS, which was investigated in this work. Additionally, activity coefficient models like NRTL and UNIQUAC, available via simulations environment of Aspen Plus, were used describe this multicomponent system. In this work calculations of vapor pressures, activity coefficients and phase equilibriums of binary, ternary and quaternary systems of the ABE fermentation products (acetone, 1-butanol, ethanol, water) are carried out with Aspen Plus and COSMOtherm. Results of these calculations are compared with the literature data. It is concluded that TZVPD-Fine parameterization within the COSMO-RS theory and UNIQUAC LLE option provided in Aspen Plus are promising to provide property data of aqueous acetone-butanol-ethanol mixtures.