Simulering i HYSYS - Ntnu fakultet for kjemi og biologi Norges teknisk-naturvitenskapelige Institutt for kjemisk...

Simulering i HYSYS
Simuleringen av prosessen ble utført i HYSYS, hvor reforming- og metanolanlegget ble satt opp uavhengig av hverandre. Peng Robinson tilstandslikninger ble brukt som basis for alle termodynamiske beregninger ved simuleringene. Driftsbetingelser fra Tjeldbergodden ble brukt som utgangspunkt, og disse verdiene er gitt på flytskjema, se bilag 2.
Metanolsyntesen
Omsetningsreaktor
HYSYS har et bredt utvalg av forskjellige reaktortyper. En fant det mest hensiktsmessig å bruke en omsetningsreaktor for å kontrollere flytskjema fra Tjeldbergodden. De respektive omsetningene av CO2 og CO ble beregnet til 0,244 og 0,648 fra flytskjemaet. For å få et bra sammenlignings grunnlag i forhold til håndberegninger og flytskjema, ble purgestrømmen justert slik at molfraksjonen av metanol ut av reaktoren ble 7.3%.
Det ble satt inn to recycle-funksjoner, en i resirkulasjonsstømmen og en etter reaktoren. Disse holder rede på iterasjonsverdiene for hver iterering. Den siste var nødvendig for å kunne løse beregningene i interchangeren. Startverdiene til recycle-funksjonene ble hentet fra flytskjemaet.
Ved kontrollberegning av massebalansen var det et stort avvik mellom masse inn og ut. For å redusere avviket ble toleransegrensene i HYSYS redusert. Det resulterte i mindre avvik, men regnetiden før systemet konvergerte økte betraktelig.
Likevektsreaktor
En likevektsrektor er en annen type reaktor som kan brukes i HYSYS. Ved å simulere anlegget med bruk av denne typen reaktor, kan det gi et bilde av prosessen med en relativt ny katalysator. Det kan da tenkes at reaksjonene vil gå helt til likevekt ved utløpet på reaktoren. Reaksjonslikningene som inngår i metanolsyntesen ligger ferdig implementert i HYSYS.
Prosessen rundt likevektsreaktoren er bygget opp på samme måte som for omsetningsreaktoren. Her ble purgestrømmen valgt slik at det var samme mengde inerter i strømmen inn på reaktoren som for omsetningsreaktoren.
Reforminganlegget
Reforminganlegget er bygget opp rundt prereformeren, primærreformeren og sekundærreformeren, som alle er av typen Gibbs reaktor. Mengden av naturgass som går inn i prosessen ble justert av en adjust-funksjon, slik at syntesegassen ut har en mengde på 11200 kmol/h.
I følge Lurgi skal forholdet mellom vanndamp og karbon i naturgassen være 1,4 inn på prereformeren. Oksygenmengden inn på sekundærreformeren skal være slik at oksygen/karbon forholdet er 0.3552. Ved simulering med disse parameterene ble syntesegassen understøkiometrisk. For å oppnå optimal støkiometrisk verdi på 2,06, ble damp/karbon forholdet justert opp med 15%, og oksygen/karbon justert ned med 15%.
Sammenligning
Sammenligninger for masse- og energibalansen mellom flytskjema, håndberegninger og HYSYS er vist i bilag 7. For massebalansen er de viktigste strømmene og deres sammensetning gjengitt i bilaget. Under energibalansen er kjølemengder, UA-verdier, kompresjonsarbeid, temperaturer, z-verdier og energiforløpet i de ulike beregningene sammenlignet. Under diskusjonen vil en ta tak i ulikhetene mellom beregningene.
Økonomiske overslag
Det ble foretatt økonomiske overslag for å finne ut om driften av anlegget går i overskudd og hva prisen på metanol da må være.
Driftskostnader
Driftskostnadene omfatter utgifter ved fremstilling, transport og salg av metanol. Kostnadene deles inn i:
Variable kostnader
Faste kostnader
De variable kostnadene er utgifter som er direkte knyttet til produsert mengde metanol, mens de faste kostnadene omfatter poster som ikke direkte henger sammen med produksjonsvolumet, men som også må dekkes av salgsinntektene. Driftskostnadene er beregnet som anbefalt i Coulson & Richardson’s, 1999. Beregningene er utført i bilag 8-10, og resultatene er oppgitt i tabell 7.1.
Tabell 7.1. Totale driftskostnader for metanolanlegget.
Totale driftskostnader
|
[NOK/år]
|
Variable driftskostnader
|
|
Råvarer
|
284 597 000
|
Energiforbruk
|
174 412 000
|
Katalysator
|
12 037 000
|
Sum variable driftskostnader
|
471 046 000
|
|
|
Faste kostnader
|
|
Foredlingskostnader
|
260 447 000
|
Avskrivninger
|
320 000 000
|
Forsikringspremier
|
32 000 000
|
Eiendomsskatt
|
22 400 000
|
Lisens
|
32 000 000
|
Salgskostnader
|
284 473 000
|
Sum faste kostnader
|
951 320 000
|
|
|
Totale driftskostnader
|
1 422 366 000
|
Totale driftskostnader er 1 422 366 000 NOK/år.
Driftsinntekter
Driftsinntektene består kun av salgsinntektene for metanol. Prisen er fra Roger Hansen, Statoil. Salgsinntektene er beregnet i bilag 11 og tilsvarer:
Totale driftsinntekter er 1 805 584 000 NOK/år.
Driftsbalanse
Driftsbalansen for anlegget er differansen mellom driftsinntektene og driftskostnadene. Den er beregnet i bilag 11.
Driftsinntekt: 1 805 584 000 NOK
Driftskostnader: - 1 422 366 000 NOK
Driftsbalanse: = 383 218 000 NOK
Driften av anlegget har et resultat før skatt på 383 218 000 NOK.
Følsomhetsanalyse
Det ble foretatt en følsomhetsanalyse på Excel (se bilag 12) ved å variere råvarepriser og metanolpris etter tur og observere endring i driftsbalanse.
Stjernediagram (Bøhren og Gjærum, 1999) i figur 7.1. viser innvirkningen på driftsbalansen ved endring i råvare- og metanolpris.
F
igur 7.1: Stjernediagram som viser hvor følsom driftsbalansen er for endring i råvarepris og metanolpris.
For at driften av anlegget skal være lønnsom må metanolprisen være minst 1710 NOK/tonn.
Diskusjon
Sammenligning av massebalanser
Tallmessige sammenligninger er vist i bilag 7.
Håndberegninger og flytskjema 2
Resultatene fra de håndberegnede massebalansene stemte rimelig godt overens med flytskjemaet. De totale molstrømmene kunne avvike med opptil 400 kmol/h, men dette utgjorde under 1 %. Fraksjonene til de ulike komponentene var tilnærmet like, men kunne avvike med 0 til 1 prosentpoeng. Årsakene til disse ulikhetene var antageligvis først og fremst knyttet til størrelsen på purgestrømmen og sammensetningen i F13, dvs væskestrømmen ut av flashtanken. Disse igjen fulgte av de antagelser som ble gjort og de betingelser som ble satt for å kunne løse massebalansen for hånd.
Ifølge håndberegningene var CO-innholdet i F4 (inn på reaktor) 6,8 %, mens flytskjemaet viste 7,2 %. Den samme tendensen fant en for strøm F5 (ut av reaktor) og resirkulasjonsstrømmen (F11), dvs generelt for hele systemet var CO-innholdet høyere på flytskjemaet. Samtidig var H2-innholdet litt høyere (62,6 % mot 61,9 % i F5) for håndberegningene. En mulig forklaring kunne være at likevekten for vanngass-skiftreaksjonen (rx 2.3) var forskjøvet mot venstre på flytskjemaet sammenliknet med håndberegningene.
Purgestrømmen ble beregnet høyere for hånd enn på flytskjemaet. Splitten på 2,2 % ble valgt for å oppnå 17,5 % inerter inn på reaktor, dvs i samsvar med flytskjemaet. Sammensetningen av inerter er derimot ikke helt lik. En måtte tappe av mer purgestrøm pga at ingen inerter gikk ut med væskefasen ut av flashen. Dette fordi en her hadde antatt perfekt splitt, dvs at all metanol og vann kondenserte. I tillegg ble CO2-mengden justert. For at beregningene skulle ha stemt enda bedre, burde en ha antatt at noe av de andre komponentene, spesielt CH4 og H2, også var oppløst i væsken.
Mengden metanol som ble produsert var den samme for begge beregningene. Total massebalanse (inn-ut, kg/h) gir avvik på 0,025% for håndberegning og 0,12 % for flytskjemaet. Generelt var molprosenten oppgitt med færre gjeldende siffer på flytskjemaet enn i håndberegningene, mens de totale molstrømmene var svært så nøyaktige. Dette bidro til å gjøre det litt vanskelig å sammenlikne disse to beregningene.
Ved også å runde av verdiene på håndberegningene, kom en godt ut med verdiene på flytskjemaet. Antagelsen om ideell gass og perfekt split var derfor vellykket. Årsaken til at gassen oppførte seg tilnærmet ideelt skyldtes i første rekke den store andelen H2.
HYSYS og flytskjema 2
Den mest markante forskjellen mellom HYSYS og flytskjemaet var mengden H2 i systemet. I synteseloopen var H2-strømmen over 2000 kmol/h større i HYSYS, dvs at det var en vesentlig høyere andel H2 i resirk.strømmen. Dette kunne ha sammenheng med at beregningene som ble gjort i HYSYS var basert på tilstandslikninger (Peng-Robinson).
Som en direkte virkning ble også de totale molstrømmer i HYSYS-sløyfen mer enn 1000 kmol/h større enn på flytskjemaet. Med andre ord hadde ikke økningen i H2 strømmen så stor innvirkning på de andre komponentenes fraksjoner og strømmer.
I reaktoren ble det produsert mer metanol i HYSYS enn på flytskjema som følge av større totalstrøm. Mengde råmetanol var derimot tilnærmet den samme, pga at resirk.strømmen inneholdt mer metanol i HYSYS.
Kravet om 7,3 % metanol ut av reaktor innebar at purgestrømmen ble høyere i HYSYS. Inertandel inn på reaktor var ca 15% mot 17,5% på flytskjemaet.
CO2-mengden var mindre i HYSYS fordi mer CO2 var oppløst i væsken.
HYSYS og håndberegninger
Siden håndberegningene stemte så godt overens med flytskjemaet, ser en de samme avvikene mellom HYSYS og håndberegningene som mellom HYSYS og flytskjema 2: mindre CO2 og mer H2 i HYSYS.
Når det gjelder CO derimot viste håndberegningene lavest innhold av CO, fulgt av HYSYS og flytskjemaet. Dette kan forklares med at omsetningen av CO i håndberegningene er høyere (0,697) enn i HYSYS og på flytskjemaet (0,648 for begge).
Ved partiellkondensasjonen av vann og metanol i F6 og F7, stemte de beregnede fraksjonene i væske- og dampfase best for vann. Mer metanol forble i gassform i HYSYS. Raoults lov ble benyttet for et to-komponentsystem, mens det i virkeligheten var en reell multikomponentblanding.
Likevektsreaktor og omsetningsreaktor i HYSYS
Den største forskjellen mellom de to simuleringene i HYSYS var mengden metanol produsert i reaktoren. Omsetningsgradene var høyere i likevektsreaktoren (XCO = 0,730 og XCO2 = 0,270) enn i omsetningsreaktoren (0,648 og 0,244). Behovet for resirkulasjon ble derfor mindre.
En likevektsreaktor kan sammenlignes med at katalysatoren er helt ny.
|