Sammenligning av energibalanser - Ntnu fakultet for kjemi og biologi Norges teknisk-naturvitenskapelige Institutt...

Sammenligning av energibalanser
Tall til sammenligning finnes i bilag 7.
Temperaturer
For både håndberegningene og HYSYS ble T6 satt som konstant. Egentlig burde heller T4, som er temperaturen inn på reaktor, blitt regnet som konstant mhp termodynamikk, katalysator etc. I håndberegningene ble T4 bestemt til 225,5 oC, mens HYSYS kom fram til 218 oC.
De andre temperaturene som ble beregnet for hånd og i HYSYS stemmer ( 1 oC) med flytskjemaet.
Energiforløpet i metanolsyntesen
Ut fra figur B7.1 ser en at energiforløpet er noe forskjellig mellom håndberegningene og HYSYS. Dette kan skyldes at massestrømmene ikke er helt like. Ved å beregne energiforløpet per mol (figur B7.2) ser en at det fortsatt er avvik, dvs at sammensetningen har betydning. Ved beregning av energistrømmene for hånd ble det dessuten regnet at entalpi er tilnærmet lik indre energi, dvs at det ikke ble tatt hensyn til trykk-volumarbeidet. (Dette kan også sees fra figur B7.2; ved parallell stigning er det ingen trykkendring mellom strømmene.) Som nevnt tidligere avviker også den ene temperaturen (T4), og dette kan også ha bidratt til forskjell i energi.
Reaktor
Mengden kjølevann som ble beregnet for hånd var litt høyere (133,5 tonn/h) enn for HYSYS (124,9 tonn/h). Dersom en hadde benyttet T4 = 225 oC, ville verdiene stemt bedre.
Kompressorer
Ved sammenligning av kompresjonsarbeidene er differansen mellom HYSYS og håndberegninger svært liten. Forskjellene skyldes avvik fra idealitet.
Generelt oppførte hele systemet seg nærmest ideelt, se tabell B7.13 for z-verdier.
Varmevekslerne
De beregnede UA-verdiene for HYSYS og for hånd var i samme størrelsesorden. For varmeveksler 2 og 3 var UA-verdiene i HYSYS større enn for håndberegningene (henholdsvis 5 og 15%). Forskjellige referanser for kondensasjonsvarmen kan være årsaken til forskjellen. I varmeveksler 1 var UA-verdien for HYSYS mindre (10 %), siden temperatur inn på reaktor var mindre.
Av samme grunn ble også kjølemengden for varmevekslerne forskjellig.
.
Økonomi
Overslagsberegninger
Økonomibetraktningene bygget på overslagsberegninger. For de faste driftskostnadene kunne prosentsatsene ha store intervall.Valg av sats hadde stor betydning for resultatet og brakte derfor stor usikkerhet med i beregningene. Blant de variable driftskostnadene er spesielt katalysatorkostnadene og energikostnadene usikre. Katalysatorprisen som funksjon av produsert metanol ble funnet i litteratur, og kan være annerledes for anlegget på Tjeldbergodden. Energikostnadene er usikre pga at anlegget er svært varmeintegrert og en ikke vet hvor mye netto kjølevann anlegget bruker. En har gått utifra flytskjema for reforming- og synteseanlegget, og kjølemengdene er tatt fra simulering i HYSYS.
Fra driftsbalansen har en et overskudd per år før skatt på ca 383 millioner NOK. Dette resultatet er for høyt fordi en ikke har tatt hensyn til bl a destillasjonsprosessen. I tillegg må en ta i betraktning usikkerheten i driftskostnadene.
Følsomhetsanalyse
Ut fra følsomhetsanalysen (se figur 7.1) ser en at endring i metanolprisen har mye større innvirkning på driftsbalansen enn råvarepris. For at driften skal være lønnsom må metanolprisen være minst 1710 kr/tonn.
Driftsbalansen er svært følsom for metanolprisen.
Vurdering av prosessen
Metanolproduksjon regnes ikke blant de største miljøsynderne (se avsnitt 2.7 om miljø).
Mye av energien gjenvinnes i metanolanlegget, men denne varmeintegrasjonen innebærer at systemet er følsomt for forstyrrelser.
Ifølge flytskjema for reforminganlegget kjøles strømmen fra 530 oC til 30 oC i en kondensator. En kunne kanskje utnyttet denne varmen litt bedre, f eks til kokende vann til reaktoren.
Ved å benytte en quench-reaktor, vil en slippe utgifter til kokende vann (kjølemedium). Men ved at oppholdstiden blir kortere, trengs en større resirkulasjonsstrøm og kompresjonsarbeidet øker.
Dersom en ser på metanolsyntesen isolert, synes en det ville vært mer naturlig med en stor varmeveksler istedet for VV2 og VV3. Dette fordi temperaturdifferansen over varmeveksler 2 er liten.
En ønsker å se på effekten av å endre purgestrømmen:
Ved å redusere purge, øker resirk.strømmen og belastningen på kompressoren og reaktoren øker. Dette vil øke utbyttet.
Økning av purge vil redusere andel inerter inn på reaktor og øke andel metanol i produktstrømmen, men utbyttet blir lavere.
Konklusjon
I prosjektet har en studert metanolsyntesen på Tjeldbergodden med utgangspunkt i et flytskjema med oppgitt temperatur, trykk, mengde og sammensetning for hovedstrømmer i systemet. Håndberegninger av masse- og energibalanser basert på ideelt system viste seg å samsvare godt med flytskjema. Simulering av prosessen i HYSYS ga liknende resultater, men noe mer avvik for massebalansen. Spesielt er H2-mengden i systemet noe høyere i HYSYS.
Det ble foretatt et økonomisk overslag av driften på metanolanlegget. Dette ga et driftsresultat før skatt på 383 millioner NOK. Driftsbalansen er svært følsom for svingninger i metanolprisen. For at driften skal være lønnsom må metanolprisen minst være 1710 NOK/tonn.
Trondheim 6.april 2001
________________ __________________ __________________
Elin Tangerås Trond Haldorsen Kristin Vennes
Symbolliste
Symbol Enhet Betegnelse
A m2 Arealet av varmeoverføringsoverflaten
Cn n antall karboner
Cp J/mol, K Varmekapasitet ved konstant trykk
Cv J/mol, K Varmekapasitet ved konstant volum
F mol/s, kmol/h Strømningshastighet
Fv mol/s Kondensert gass per varmeveksler
Hrx kJ/mol Reaksjonsentalpi
Hvap J/mol Fordampningsentalpien
I Prisindeks
K Likevektskonstant
nA mol Mol komponent A
P $ Pris
P bar Trykk
pAo bar Damptrykk over ren komponent
pA bar Relle damptrykk
ptot bar Totale trykk over blanding
Q J/s Varmestrøm
Q Reaksjonskvotient
q tonn/h Massestrøm
R J/mol,K Gasskonstant
SN Støkometrisk tall
T K Temperatur
Tlm K Logaritmisk midlere temperaturdifferans
Treell K Temperatur ved reelt kompresjonsarbeid
Trev K Temperatur ved reversibelt
kompresjonsarbeid
TDK Total driftskostnader
U W/m2,K Varmegjennomgangskoeffisienten
Wideell J/h Ideelt arbeid
Wrev J/h Reversibelt arbeid
xA Væskefraksjon av komponent A
yA Dampfraksjon av komponent A
z Kompressibilitetsfaktor
mol/h Rreaksjonsomfang
Forhold mellom varmekapasitet
Litteraturreferanser
Bøhren og Gjærum, Prosjekt analyse, Skarvet forlag, 1999
Cheng, Methanol production and use, Marcel Dekker, New York, 1994
Coulson & Richardson’s, Chemical Engineering, volum 6, Third Edition, Butterworth Heinemann, 1999
Dean J., Lange’s handbook of chemistry, 15th Edition, McGraw-Hill, New York, 1999
Geankoplis C., Transport Processes and Unit Operations, Third Edition, Prentice Hall PTR, 1993
Kotte P., Tjeldbergodden Et midtnorsk industrieventyr, KOM Forlag, 1997
McCabe, Smith & Harriot, Unit Operations of Chemical Engineering, Fifth Edition, McGraw-Hill, Singapore, 1993
Moulijn, Makkee, Van Diepen, Chemical Process Technology, John Wiley & Sons, 2001
Olsvik, O.: Statoils metanolanlegg på Tjeldbergodden, Kjemi, nr. 7, 42-46,1997
Peters & Timmerhaus, Plant Design and Economics for Chemical Engineers, Fourth Edition, McGraw-Hill, Singapore, 1991
Skogestad S., Prosessteknikk, Tapir Akademiske Forlag, Trondheim 2000
Vanden Bussche, K.M., and Fromaent, G.F., Journal of Catalysis, 161, 1-10 (1996)
Yaws C., Chemical properties handbook, McGraw-Hill, New York, 1999
Andre referanser
Hansen Roger, Statoil
Nesse N., NTNU
Skogestad S., NTNU
Utlevert materiale i emnet SIK 2057 Petrokjemi og oljeraffinering
HSC Chemistry from Outokoumpu, Finland (dataprogram, Østvold)
www.lurgi.com/englisch/programm/synthesegas/preref_details.html
Bilag 1 Kinetikkdata
Likevektskonstanter og hastighetskonstanter for reaksjonskinetikken i metanolreaktoren:
Likevektskonstantene:
Hastighetskonstantene:
|