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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:oulo.fi/oai:oulu.fi:isbn978-952-62-0376-8 |
| Date | 04 March 2014 |
| Creators | Kangas, J. (Jani) |
| Contributors | Tanskanen, J. (Juha) |
| Publisher | Oulun yliopisto |
| Source Sets | University of Oulu |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess, © University of Oulu, 2014 |
| Relation | info:eu-repo/semantics/altIdentifier/pissn/0355-3213, info:eu-repo/semantics/altIdentifier/eissn/1796-2226 |
Page generated in 0.0033 seconds