Design Methodology for Integrated Downstream Separation Systems in an Ethanol Biorefinery

Les enjeux de sécurité d'approvisionnement énergétique et de protection de l'environnement ont mené à une augmentation significative de production de biocarburants. La réussite de ce choix stratégique dépend, entre autres, de la rentabilité et de la viabilité à long terme des unités de production. Les biocarburants de seconde génération, par exemple l'éthanol, sont souvent produits à partir de matière ligno-cellulosique. Ils sont plus difficiles à produire que ceux de première génération car (1) des étapes coûteuses supplémentaires sont nécessaires pour la séparation des différents constituants de la biomasse avant fermentation, (2) et la concentration en produit quittant le réacteur de fermentation est plus faible, ce qui augmente les difficultés pour la purification. Dans une bio-raffinerie produisant de l'éthanol, les coûts relatifs à la purification du produit quittant le réacteur de fermentation sont significatifs. L'opération classique de purification inclut un ensemble de colonnes de distillation. Cependant, la nature non-idéale du mélange eau-éthanol, qui forme un azéotrope à 95 % en poids d'éthanol, complique cette opération. Une étape additionnelle de déshydratation est ainsi nécessaire afin d'obtenir de l'éthanol pur à 99.5 % en poids. Plusieurs techniques ont été proposées afin de résoudre les difficultés inhérentes aux équilibres liquide-vapeur des mélanges éthanol-eau. Ces techniques, telles que l'utilisation de membranes ou l'extraction par solvant organique, visent non seulement à obtenir de l'éthanol pur mais aussi à réduire la consommation d'énergie. Réduire la consommation d'énergie lors de la production est de première importance pour la viabilité de l'industrie des biocarburants. L'intégration de procédé, telle que définie par Ressources Naturelles Canada, est une approche système pour l'analyse et la synthèse de procédés afin de minimiser la consommation en énergie, eau et matières premières. L'utilisation de cet outil peut permettre aux bio-raffineries d'économiser de l'énergie et augmenter leur rentabilité. Les techniques d'intégration de procédé ont été adoptées avec succès par plusieurs industries ; elles sont basées sur l'utilisation optimale des sources en énergie, eau et matières premières disponibles dans le procédé afin de satisfaire les demandes et ainsi réduire la consommation externe. Du point de vue de l'industrie papetière, qui doit faire face à une demande en produit déclinant avec le temps, à une compétition globale et à des prix de vente peu élevés, l'intégration de technologies de bio-raffinage dans des usines de production de pâte kraft peut être une option intéressante, leur permettant de diversifier le portfolio de produits et d'entrer sur de nouveaux marchés. Les systèmes d'utilités existants, le savoir-faire en génie et en gestion de la chaîne logistique, ainsi que des opportunités d'intégration énergie et matière entre une usine de pâte et une unité de bio-raffinage peuvent offrir des avantages compétitifs et améliorer la performance économique de l'industrie papetière. Par conséquent, l'intégration énergie est une possibilité qui doit être considérée par l'industrie du bio-raffinage forestier. L'objectif de ce travail est de développer une méthodologie pour la conception de systèmes de purification du produit de bio-raffinage et de la tester sur une étude de cas, une unité de bio-raffinage produisant de l'éthanol. Plusieurs techniques de purification ont été évaluées selon trois scenarii : (1) sans intégration énergie, (2) avec intégration énergie à l'intérieur du système de purification et (3) avec intégration énergie entre le système de purification et une usine de pâte kraft. Les consommations en énergie, les coûts d'investissement ainsi que les performances économiques ont été évalués pour chaque technique de purification et chaque scénario d'intégration. La meilleure des options a finalement été identifiée selon des critères technico-économiques. Les possibilités d'intégrations ont été identifiées avec la méthode de pincement pour le deuxième scénario, et avec la méthode pontale pour le troisième scénario car ce dernier requiert une analyse pour la rétro-installation du réseau d'échangeur de chaleur du procédé kraft. Les résultats révèlent l'importance de l'intégration énergie pour réduire la consommation énergétique et améliorer la performance des unités de production de bio-raffinage. Ils montrent également que le système classique de purification d'éthanol conduit à de meilleurs résultats après intégration énergie que les autres techniques de purification. Les techniques alternatives peuvent impliquer des risques technologiques supplémentaires et ne mènent à aucun avantage de consommation énergétique lorsque l'intégration interne ou externe avec une usine de pâte kraft est incorporée dans le modèle d'affaires. Il est important de souligner que la méthodologie développée dans le cadre de cette maîtrise peut être étendue pour évaluer les performances énergétiques et économiques de l'ensemble d'un procédé de bio-raffinage.

Abstract

Energy security and environmental concerns have been the main drivers for a historic shift to biofuel production in transportation fuel industry. Biofuels should not only offer environmental advantages over the petroleum fuels they replace but also should be economically sustainable and viable. The so-called second generation biofuels such as ethanol which is the most produced biofuel are mostly derived from lignocellulosic biomasses. These biofuels are more difficult to produce than the first generation ones mainly due to recalcitrance of the feedstocks in extracting their sugar contents. Costly pre-treatment and fractionation stages are required to break down lignocellulosic feedstocks into their constituent elements. On the other hand the mixture produced in fermentation step in a biorefinery contains very low amount of product which makes the subsequent separation step more difficult and more energy consuming. In an ethanol biorefinery, the dilute fermentation broth requires huge operating cost in downstream separation for recovery of the product in a conventional distillation technique. Moreover, the non-ideal nature of ethanol-water mixture which forms an iseotrope at almost 95 wt%, hinders the attainment of the fuel grade ethanol (99.5 wt%). Therefore, an additional dehydration stage is necessary to purify the ethanol from its azeotropic composition to fuel-grade purity. In order to overcome the constraint pertaining to vapor-liquid equilibrium of ethanol-water separation, several techniques have been investigated and proposed in the industry. These techniques such as membrane-based technologies, extraction and etc. have not only sought to produce a pure fuel-grade ethanol but have also aimed at decreasing the energy consumption of this energy-intensive separation. Decreasing the energy consumption of an ethanol biorefinery is of paramount importance in improving its overall economics and in facilitating the way to displacing petroleum transportation fuel and obtaining energy security. On the other hand, Process Integration (PI) as defined by Natural Resource Canada as the combination of activities which aim at improving process systems, their unit operations and their interactions in order to maximize the efficiency of using water, energy and raw materials can also help biorefineries lower their energy consumptions and improve their economics. Energy integration techniques such as pinch analysis adopted by different industries over the years have ensured using heat sources within a plant to supply the demand internally and decrease the external utility consumption. Furthermore, from the stand-point of a pulp and paper mill and considering the declining demand, volatile price, high energy cost and fierce global competition, it looks as a promising option to integrate a biorefinery technology with the core business in order to diversify the product portfolio and enter new markets. Existing utility systems, engineering know-how and feedstock supply network as well as mass and energy integration potentials between mills and new processes foster competitive advantage for pulp and paper mills to adopt implementing biorefineries to improve their economic performances. Therefore, adopting energy integration can be one of the ways biorefinery technology owners can consider in their process development as well as their business model in order to improve their overall economics. The objective of this thesis is to propose a methodology for designing integrated downstream separation in a biorefinery. This methodology is tested in an ethanol biorefinery case study. Several alternative separation techniques are evaluated in their energy consumption and economics in three different scenarios; stand-alone without energy integration, stand-alone with internal energy integration and integrated-with Kraft. The energy consumptions and capital costs of separation techniques are assessed in each scenario and the cost and benefit of integration are determined and finally the best alternative is found through techno-economic metrics. Another advantage of this methodology is the use of a graphical tool which provides insights on decreasing energy consumption by modifying the process condition. The pivot point of this work is the use of a novel energy integration method called Bridge analysis. This systematic method which originally is intended for retrofit situation is used here for integration with Kraft process. Integration potentials are identified through this method and savings are presented for each design. In stand-alone with internal integration scenario, the conventional pinch method is used for energy analysis. The results reveal the importance of energy integration in reducing energy consumption. They also show that in an ethanol biorefinery, by adopting energy integration in the conventional distillation separation, we can achieve greater energy saving compared to other alternative techniques. This in turn suggests that new alternative technologies which imply big risks for the company might not be an option for reducing the energy consumption as long as an internal and external integration is incorporated in the business model of an ethanol biorefinery. It is also noteworthy that the methodology developed in this work can be extended as a future work to include a whole biorefinery system.