Abstract The production of liquid transportation fuels such as bioethanol and more recently also biobutanol from renewable resources has received considerable attention. In the production of bio-based alcohols, the separation steps are expensive as the mixtures to be separated are dilute. As an energy-efficient separation technology, pervaporation is considered to be a potential process in biofuel purification. One of the main constraints in the commercialization of pervaporation has been low membrane fluxes, and the consequent high costs due to the high membrane area needed. In order to obtain high fluxes, the membranes should be as thin as possible. In this thesis, the performance of ultra-thin zeolite membranes in pervaporation was investigated. Binary ethanol/water and n-butanol/water mixtures were studied using both hydrophobic and hydrophilic zeolite membranes for alcohol concentration, as well as dehydration. The development of pervaporation membranes and processes has been mainly empirical. Process modeling, however, is an indispensable tool in process design. In this work, the pervaporation performance of the studied membranes was evaluated on the basis of experimental results in combination with mathematical modeling. Due to the low film thickness of the studied membranes, the fluxes were generally higher than reported earlier. Nevertheless, the evaluation in this work showed that the pervaporation performance of the ultra-thin membranes decreased due to flux limitation by membrane support. In this work, pervaporation was modeled by applying both a semi-empirical and a detailed Maxwell-Stefan based mass transfer model. The latter model considers explicitly both adsorption and diffusion, i.e. the phenomena involved in separation by pervaporation. The description of the support behavior was included in the models. Maxwell-Stefan formalism was applied in unary pervaporation for the determination of diffusivities in zeolite membranes. The models performed well within the range of experimental data. Additionally, a practical modeling approach was developed in this work to predict the temperature dependency of adsorption on zeolites. The developed approach can be utilized, e.g., in pervaporation modeling. Thus, this thesis provides knowledge of using ultra-thin zeolite membranes in the pervaporation of alcohol/water mixtures, and offers tools for pervaporation modeling. / Tiivistelmä Kiinnostus uusiutuvista raaka-aineista valmistettavia liikennepolttoaineita, kuten bioetanolia ja -butanolia, kohtaan lisääntyy koko ajan. Biopohjaisten alkoholien tuotannossa etenkin erotusvaiheet ovat kalliita, koska erotettavat liuokset ovat laimeita. Pervaporaatio on energiatehokas kalvoerotusmenetelmä ja sen vuoksi potentiaalinen osaprosessi biopolttoaineiden tuotantoon. Pervaporaation kaupallistamisen merkittävimpiä rajoitteita ovat olleet alhaiset ainevuot, jotka johtavat suureen kalvopinta-alan tarpeeseen ja näin ollen korkeisiin kustannuksiin. Korkean ainevuon saavuttamiseksi kalvojen tulisi olla mahdollisimman ohuita. Tässä väitöstyössä tutkittiin hyvin ohuiden zeoliittimembraanien suorituskykyä pervaporaatiossa. Kohteena olivat binääriset etanoli/vesi- ja n-butanoli/vesiseokset, joista väkevöitiin alkoholeja tai poistettiin vettä hydrofobisia ja hydrofiilisiä zeoliittimembraaneja käyttäen. Pervaporaatiossa käytettävien kalvojen ja pervaporaatiota hyödyntävien prosessien kehitystyö on ollut pääasiassa kokeellista. Prosessimallinnus on kuitenkin tärkeä työkalu prosessisuunnittelussa. Tässä työssä membraanien suorituskykyä pervaporaatiossa arvioitiin sekä kokeellisesti että mallinnuksen keinoin. Käytettyjen kalvojen ohuuden ansiosta tässä työssä saavutetut ainevuot olivat yleisesti ottaen korkeampia kuin aiemmin raportoiduilla membraaneilla. Ohuilla kalvoilla tukimateriaalin aiheuttama aineensiirron vastus oli kuitenkin merkittävä, alentaen membraanien suorituskykyä. Tässä työssä pervaporaatiota mallinnettiin käyttäen sekä puoliempiiristä että yksityiskohtaisempaa Maxwell-Stefan -pohjaista mallia. Jälkimmäisessä mallissa adsorptio ja diffuusio, eli ilmiöt joihin erotus pervaporaatiossa perustuu, otetaan eksplisiittisesti huomioon. Myös tukimateriaalin vaikutukset huomioitiin käytetyissä malleissa. Maxwell-Stefan -mallinnusta käytettiin puhtaiden komponenttien pervaporaatiossa zeoliittimembraanin diffuusiokertoimien määrittämiseksi. Käytettyjen mallien suorituskyky kokeellisella alueella oli hyvä. Tässä työssä kehitettiin lisäksi helppokäyttöinen menetelmä aineiden adsorptiokäyttäytymisen ennustamiseen zeoliiteissa eri lämpötiloissa. Kehitettyä menetelmää voidaan hyödyntää esimerkiksi pervaporaation mallinnuksessa. Kokonaisuudessaan väitöstyöstä saadaan tietoa ultraohuiden membraanien käytöstä pervaporaatiossa sekä työkaluja pervaporaation mallinnukseen.

Abstract The aim of this work was to formulate separation process models with both predictive capabilities and robust solution strategies. Although all separation process models should have predictive capabilities, the current literature still has multiple applications in which predictive models having the combination of a clear phenomenon base and robust solving strategy are not available. The separation process models investigated in this work were liquid-liquid phase separation and membrane separation models. The robust solving of a liquid-liquid phase separation model typically demands the solution of a phase stability analysis problem. In addition, predicting the liquid-liquid phase compositions reliably depends on robust phase stability analysis. A phase stability analysis problem has multiple feasible solutions, all of which have to be sought to ensure both the robust solving of the model and predictive process model. Finding all the solutions with a local solving method is difficult and generally inexact. Therefore, the modified bounded homotopy methods, a global solving method, were further developed to solve the problem robustly. Robust solving demanded the application of both variables and homotopy parameter bounding features and the usage of the trivial solution in the solving strategy. This was shown in multiple liquid-liquid equilibrium cases. In the context of membrane separation models, predictive capabilities are achieved with the application of a Maxwell-Stefan based model. With the Maxwell-Stefan approach, multicomponent separation can be predicted based on pure component permeation data alone. On the other hand, the solving of the model demands a robust solving strategy with application-dependent knowledge. These issues were illustrated in the separation of a H2/CO2 mixture with a high-silica MFI zeolite membrane at high pressure and low temperature. Similarly, the prediction of mixture adsorption based on pure component adsorption data alone was successfully demonstrated. In the context of membrane separation models, predictive capabilities are achieved with the application of a Maxwell-Stefan based model. With the Maxwell-Stefan approach, multicomponent separation can be predicted based on pure component permeation data alone. On the other hand, the solving of the model demands a robust solving strategy with application-dependent knowledge. These issues were illustrated in the separation of a H2/CO2 mixture with a high-silica MFI zeolite membrane at high pressure and low temperature. Similarly, the prediction of mixture adsorption based on pure component adsorption data alone was successfully demonstrated. / Tiivistelmä Työn tavoitteena oli muotoilla prosessin käyttäytymisen ennustamiseen kykeneviä erotusprosessimalleja ja niiden ratkaisuun käytettäviä luotettavia strategioita. Vaikka kaikkien erotusprosessimallien tulisi olla ennustavia, on tällä hetkellä useita kohteita, joissa prosessin käyttäytymistä ei voida ennustaa siten, että käytettävissä olisi sekä ilmiöpohjainen malli että ratkaisuun soveltuva luotettava strategia. Tässä työssä erotusprosessimalleista kohteina tarkasteltiin neste-neste-erotuksen ja membraanierotuksen kuvaukseen käytettäviä malleja. Neste-neste-erotusmallien luotettava ratkaisu vaatii yleensä faasistabiilisuusongelman ratkaisua. Lisäksi faasien koostumusten luotettava ennustaminen pohjautuu faasistabiilisuusanalyysiin. Faasistabiilisuusongelmalla on useita mahdollisia ratkaisuja, jotka kaikki tulee löytää, jotta voitaisiin varmistaa luotettava mallin ratkaisu sekä prosessimallin ennustuskyvyn säilyminen. Kaikkien ratkaisujen löytäminen on sekä vaikeaa että epätarkkaa paikallisesti konvergoituvilla ratkaisumenetelmillä. Tämän vuoksi globaaleihin ratkaisumenetelmiin kuuluvia modifioituja rajoitettuja homotopiamenetelmiä kehitettiin edelleen, jotta faasistabiilisuusongelma saataisiin ratkaistua luotettavasti. Ratkaisun luotettavuus vaati sekä muuttujien että homotopiaparametrin rajoittamista ja ongelman triviaalin ratkaisun käyttöä ratkaisustrategiassa. Tämä käyttäytyminen todennettiin useissa neste-nestetasa-painoa kuvaavissa esimerkeissä. Membraanierotusta tarkasteltaessa ennustava malli voidaan muotoilla käyttämällä Maxwell-Stefan pohjaista mallia. Maxwell-Stefan lähestymistavalla voidaan ennustaa monikomponenttiseosten erotusta perustuen puhtaiden komponenttien membraanin läpäisystä saatuun mittausaineistoon. Toisaalta mallin ratkaisu vaatii luotettavan ratkaisustrategian, jossa hyötykäytetään kohteesta riippuvaa tietoa. Näitä kysymyksiä havainnollistettiin H2/CO2 seoksen erotuksessa MFI-zeoliitti-membraanilla korkeassa paineessa. Samoin seosten adsorboitumiskäyttäytymistä ennustettiin onnistuneesti pelkästään puhtaiden komponenttien adsorptiodatan pohjalta. Kokonaisuutena voidaan todeta, että tarkasteltujen erotusprosessimallien ennustavuutta voidaan parantaa yhdistämällä malli, jolla on selkeä ilmiöpohja ja luotettava ratkaisustrategia. Lisäksi mallien käytettävyys erotusprosessien suunnittelussa on parantunut työn tulosten pohjalta.