Concentration of hydrogen peroxide and improving its energy efficiency

Distillation is a unit operation of process industry, which is used to separate a liquid mixture into two or more products and to concentrate liquid mixtures. A drawback of the distillation is its high energy consumption. An increase in energy and raw material prices has led to seeking ways to improve the energy efficiency of distillation. In this Master's Thesis, these ways are studied in connection with the concentration of hydrogen peroxide at the Solvay Voikkaa Plant. The aim of this thesis is to improve the energy efficiency of the concentration of the Voikkaa Plant. The work includes a review of hydrogen peroxide and its manufacturing. In addition, the fundamentals of distillation and its energy efficiency are reviewed. An energy analysis of the concentration unit of Solvay Voikkaa Plant is presented in the process development study part. It consists of the current and past information of energy and utility consumptions, balances, and costs. After that, the potential ways to improve the energy efficiency of the distillation unit at the factory are considered and their feasibility is evaluated technically and economically. Finally, proposals to improve the energy efficiency are suggested. Advanced process control, heat integration and energy efficient equipment are the most potential ways to carry out the energy efficient improvements of the concentration at the Solvay Voikkaa factory. Optimization of the reflux flow and the temperatures of the overhead condensers can offer immediate savings in the energy and utility costs without investments. Replacing the steam ejector system with a vacuum pump would result in savings of tens of thousands of euros per year. The heat pump solutions, such as utilizing a mechanical vapor recompression or thermal vapor recompression, are not feasible due to the high investment costs and long pay back times.

Tislaus on prosessiteollisuuden yksikköoperaatio, jota käytetään erottamaan nestemäinen seos kahdeksi tai useammaksi tuotteeksi sekä nesteseoksien väkevöimiseen. Yksi tislauksen haitoista on sen suuri energiankulutus. Nousseet energian ja raaka-aineiden hinnat ovat johtaneet tislauksen energiatehokkuutta parantavien keinojen kartoittamiseen. Tässä diplomityössä tutkitaan näitä keinoja vetyperoksidin väkevöinnin yhteydessä Solvayn Voikkaan vetyperoksiditehtaalla. Työn tavoitteena on parantaa Voikkaan tuotantolaitoksen väkevöinnin energiatehokkuutta. Työ sisältää katsauksen vetyperoksidiin, sen valmistamiseen, tislauksen perusteisiin ja sen energiatehokkuuteen. Väkevöintiyksikön energiaanalyysi on esitetty työn prosessinkehittämisen osassa. Se koostuu tämän hetkisistä ja aikaisemmista energia- ja hyödykekulutuksista, taseista ja kustannuksista. Energia-analyysin jälkeen on esitetty potentiaaliset väkevöintiyksikön energiatehokkuutta parantavat keinot. Näiden keinojen toteutettavuutta on arvioitu sekä teknisesti että taloudellisesti. Lopuksi annetaan ehdotuksia väkevöintiyksikön energiatehokkuuden parantamiseksi. Kehittyneet prosessisäädöt, lämpöintegrointi ja energiatehokkaat laitteistoratkaisut ovat potentiaalisimmat keinot parantaa väkevöinnin energiatehokkuutta Voikkaan tuotantolaitoksella. DM-vesivirran ja lauhduttimien lämpötilojen optimointi voi tarjota välittömiä säästöjä energia- hyödykekulutuksissa ilman investointeja. Höyryejektorin korvaaminen alipainepumpulla mahdollistaisi kymmenien tuhansien eurojen vuosittaiset säästöt. Lämpöpumppuratkaisut, kuten mekaaninen lämpöpumppu ja termokompressori, eivät ole järkeviä suurien investointikustannuksien ja pitkien takaisinmaksuaikojen takia.