Προσομοίωση μονάδας παραγωγής αίθυλο-τριτοταγούς-αμυλαιθέρα (ΤΑΕΕ) του διυλιστηρίου ΕΛΠΕ Ασπροπύργου με χρήση Aspen Plus

Πότση, Θεοδώρα; Potsi, Theodora

dc.contributor.author	Πότση, Θεοδώρα	el
dc.contributor.author	Potsi, Theodora	en
dc.date.accessioned	2020-12-15T10:23:16Z
dc.date.available	2020-12-15T10:23:16Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/52531
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.20229
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Προσομοίωση	el
dc.subject	Απόσταξη με χημική αντίδραση	el
dc.subject	Ισορροπία φάσεων	el
dc.subject	Διυλιστήριο	el
dc.subject	Κινητική Αντιδράσεων	el
dc.subject	Simulation	en
dc.subject	Reactive Distillation	en
dc.subject	Phase Equilibrium	en
dc.subject	Refinery	en
dc.subject	Reaction Kinetics	en
dc.subject	Aspen Plus	en
dc.title	Προσομοίωση μονάδας παραγωγής αίθυλο-τριτοταγούς-αμυλαιθέρα (ΤΑΕΕ) του διυλιστηρίου ΕΛΠΕ Ασπροπύργου με χρήση Aspen Plus	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Θερμοδυναμική & Μηχανική Χημικών Διεργασιών	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-10-09
heal.abstract	Οι σύγχρονοι βενζινοκινητήρες απαιτούν υψηλής ποιότητας καύσιμα για τη βέλτιστη και αποδοτικότερη λειτουργία τους. Οξυγονούχες ενώσεις όπως αλκοόλες και αιθέρες χρησιμοποιούνται αποτελεσματικά ως υποκατάστατα του τοξικού μολύβδου για τη βελτίωση του αριθμού οκτανίου της βενζίνης. Οι πετρελαϊκές εταιρείες στρέφονται προς τη παραγωγή οξυγονωμένων αιθέρων λόγω της χαμηλότερης τάσης ατμών τους, και του μη υδρόφιλου χαρακτήρα τους σε σύγκριση με άλλα πρόσθετα. Η παγκόσμια στροφή προς φιλικότερα προς το περιβάλλον καύσιμα και η υποχρέωση της συμπερίληψης ποσοστού βιοκαυσίμων στο μίγμα βενζινών οδηγεί επιπρόσθετα στη χρήση αιθέρων οι οποίοι δύνανται να παραχθούν από αιθανόλη βιολογικής προέλευσης, τη βιοαιθανόλη. Στο πλαίσιο αυτό, το διυλιστήριο ΕΛΠΕ του Ασπροπύργου μετέβαλλε την υφιστάμενη μονάδα παραγωγής μέθυλο-τριτοταγούς αμυλαιθέρα (ΤΑΜΕ) που παράγεται με χρήση μεθανόλης, προς παραγωγή αίθυλο-τριτοταγούς-αμυλαιθέρα (ΤΑΕΕ) που παράγεται με χρήση βιοαιθανόλης. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η δημιουργία προσομοίωσης για τη διεργασία παραγωγής ΤΑΕΕ της υφιστάμενη μονάδας του διυλιστηρίου ΕΛΠΕ στο υπολογιστικό περιβάλλον Aspen Plus. Η προσομοίωση αποτελεί εργαλείο για τη μελέτη της επίδρασης των μεταβολών διαφόρων λειτουργικών παραμέτρων στην παραγωγικότητα των προϊόντων. Αρχικά, για την ακριβή προσομοίωση της διεργασίας απαραίτητη είναι η επιλογή κατάλληλου θερμοδυναμικού μοντέλου. Για την περιγραφή της μη-ιδανικότητας της υγρής φάσης επιλέγεται η χρήση μοντέλου συντελεστή ενεργότητας (UNIQUAC & NRTL) ενώ λόγω των υψηλών πιέσεων που συναντώνται σε διάφορα σημεία της διεργασίας επιλέγεται η χρήση κυβικής καταστατικής εξίσωσης (SRK) για την ατμώδη φάση. Οι δυαδικές παράμετροι αλληλεπίδρασης των μοντέλων που διατίθενται στις βάσεις δεδομένων του Aspen Plus αξιολογούνται σε σύγκριση με πειραματικά δεδομένα ισορροπίας φάσεων ατμού-υγρού και γίνεται προσαρμογή των παραμέτρων όπου απαιτείται. Tα μέσα σχετικά σφάλματα πίεσης για τα δυαδικά συστήματα ατμού-υγρού ύστερα από την αντικατάσταση των παραμέτρων από τις προσαρμοσμένες –ενδεικτικά για το μοντέλο Uniquac-SRK- ανέρχονται σε %(AARD) ̅ P = 1.6 έναντι (AARD) ̅ P = 2.6 προ προσαρμογής, και τα μέσα σφάλματα σύστασης ατμώδους φάσης σε (100Δy) ̅ =1.8. Για τριαδικά συστήματα ατμού-υγρού τα μέσα σφάλματα με τις προσαρμοσμένες παραμέτρους ανέρχονται σε %(AARD) ̅ P = 7.5 και (100Δy) ̅ = 1.9. Για τα δυαδικά συστήματα υγρού-υγρού τα μέσα σφάλματα σύστασης στην υδατική φάση ανέρχονται σε (100Δx) ̅1,aqueous = 0.26 και για τα τριαδικά συστήματα υγρού-υγρού σε % (AARD) ̅x1,aqueous= 35% (όπου 1 το συστατικό σε ίχνη). Τα αποτελέσματα δεν αναδεικνύουν την υπεροχή κάποιου μοντέλου για την ισορροπία ατμού-υγρού, ενώ στην ισορροπία υγρού-υγρού η Uniquac –SRK είναι ελαφρώς ευνοϊκότερη. Τα παραπάνω οδηγούν στην ανάπτυξη της προσομοίωσης και με τα δύο μοντέλα και στην εκ των υστέρων ανάδειξη υπερέχοντος μοντέλου. Επιπλέον εξετάζεται η ακρίβεια πρόρρησης της τάσης ατμών των καθαρών συστατικών από την εκτεταμένη εξίσωση Antoine. Στους αντιδραστήρες σταθερής κλίνης οι αντιδράσεις περιορίζονται κινητικά. Μελετώνται οι εξώθερμες αντιδράσεις αιθεροποίησης των τριτοταγών ολεφινών που περιέχονται στη νάφθα καταλυτικής πυρόλυσης, η αντίδραση ισομερισμού των ισοαμυλενίων και οι αντιδράσεις προς παραπροϊόντα, δηλαδή η αφυδάτωση της αιθανόλης και η ενυδάτωσης του ισοαμυλενίου 2-μεθυλβουτ-2-ενίου (2Μ2Β). Ο μηχανισμός που χρησιμοποιείται είναι ο Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson (LHHW) με βραδύτερο στάδιο την επιφανειακή αντίδραση στον καταλύτη και αγνοώντας τα φαινόμενα διάχυσης στους πόρους λόγω των μικρών σωματιδίων του καταλύτη. Η ενέργεια ενεργοποίησης, η σταθερά ισορροπίας των αντιδράσεων, η σταθερά προσρόφησης αιθανόλης και νερού εφαρμόζονται όπως λαμβάνονται από τη βιβλιογραφία, ενώ ο προεκθετικός παράγοντας της κινητικής σταθεράς προσαρμόζεται στα δεδομένα του διυλιστηρίου. To σχετικό σφάλμα προσέγγισης της μετατροπής των ισοαμυλενίων μειώθηκε ενδεικτικά από ~ 37% σε ~ 3%, με χρήση του μοντέλου Uniquac-SRK Αρχικά προσομοιώνεται το τμήμα της αντίδρασης χρησιμοποιώντας δεδομένα από το ισοζύγιο μάζας της μονάδας με τις βιβλιογραφικές σταθερές και με προσαρμογή σε αυτά τα δεδομένα. Ωστόσο, η προσαρμογή αυτή δεν προβλέπει με ικανοποιητική ακρίβεια τα πραγματικά δεδομένα του διυλιστηρίου. Ως εκ τούτου, οι προεκθετικοί παράγοντες των αντιδράσεων προσαρμόζονται στα δεδομένα του διυλιστηρίου με τη συνολική μετατροπή ισοαμυλενίων να ανέρχεται σε 83.4 % (Uniquac-SRK) και 83.6% (NRTL-SRK), έναντι του 84.5% που είναι το δεδομένο του διυλιστηρίου. Το θερμοκρασιακό προφίλ των αδιαβατικών αντιδραστήρων προβλέπεται με μικρότερη ακρίβεια από την Uniquac-SRK. Για την προσομοίωση της στήλης απόσταξης με χημική αντίδραση θεωρείται κατανομή βαθμών αποδόσεων κατά μήκος της προκειμένου να προκύπτουν ακριβή αποτελέσματα προφίλ συγκεντρώσεων και θερμοκρασίας. Η Uniquac-SRK παρέχει λιγότερο ακριβή αποτελέσματα μόνο για τη θερμοκρασία κορυφής και πυθμένα της στήλης. Στις στήλες εκχύλισης και κλασμάτωσης αιθανόλης-νερού, η Uniquac-SRK παρέχει ελαφρώς καλύτερη πρόβλεψη διαχωρισμού. Συνεπώς, το NRTL-SRK είναι το καταλληλότερο μοντέλο για την προσομοίωση καθώς παρέχει ταυτόχρονα αξιόπιστα αποτελέσματα θερμοκρασιών και συστάσεων για το τμήμα της αντίδρασης. Το μοντέλο που δημιουργήθηκε και οι παράμετροι που υπολογίσθηκαν επιβεβαιώνονται με τα αποτελέσματα προσομοίωσης και σε άλλη διυλιστηριακή ημέρα. Στη συνέχεια, διεξάγεται παραμετρική ανάλυση με έλεγχο της επίδρασης που ασκούν οι εφαρμοζόμενες μεταβολές κυρίως στην παραγωγικότητα των προϊόντων. Μία αύξηση του λόγου mole αιθανόλη/ισοαμυλένια στην αρχική τροφοδοσία κατά 0.4 μονάδες προκαλεί έως και 10% αύξηση της συνολικής μετατροπής ισοαμυλενίων. Ωστόσο, η αύξηση αυτή προκαλεί σημαντική αύξηση του φορτίου αναβραστήρα της στήλης έως και 6.5%. Παράλληλα, παρατηρείται μείωση της παραγωγικότητας των αιθέρων ΤΗΕΕ, του DEE και της ΤΑΑ στον αρχικό αντιδραστήρα. Αύξηση του λόγου αναρροής στη στήλη απόσταξης με χημική αντίδραση, προκαλεί αύξηση της μετατροπής των ισοαμυλενίων με μειούμενο ρυθμό, βελτίωση του διαχωρισμού του βαρέος κλάσματος των C5 υδρογονανθράκων και σημαντική αύξηση του φορτίου αναβραστήρα. Συγκεκριμένα, αύξηση του λόγου αναρροής κατά 30% προκαλεί έως και 30% αύξηση του φορτίου αναβραστήρα (γραμμική συσχέτιση). Η μείωση της πίεσης λειτουργίας της στήλης απόσταξης με χημική αντίδραση (RD) εμφανίζεται να δρα ευνοϊκά για την μετατροπή των ισοαμυλενίων και η παροχή στη στήλη πλευρικής τροφοδοσίας φρέσκιας αιθανόλης οδηγεί σε γραμμική αύξηση της μετατροπής των ισοαμυλενίων στη στήλη (RD), μείωση της στον τελικό αντιδραστήρα (FR) και συνολική αύξηση της σε στήλη (RD) και αντιδραστήρα (FR). Τέλος, Η αύξηση της περιεκτικότητας του νερού στην αιθανόλη τροφοδοσίας προκαλεί μικρή αύξηση της μετατροπής των ισοαμυλενίων στον αρχικό αντιδραστήρα, που οφείλεται στην κατανάλωση του ισοαμυλενίου προς παραγωγή της ΤΑΑ, μέσω ενυδάτωσης. Η παραγωγικότητα σε ΤΑΕΕ μειώνεται ελαφρώς. Επιπλέον, ποσοστό νερού στην αιθανόλη τροφοδοσίας ίσο με ~0.6% δίνει μέγιστη καθαρότητα αιθανόλης στη στήλη κλασμάτωσης αιθανόλης-νερού.	el
heal.abstract	Modern gasoline engines require fuel of high quality for optimal and more efficient operation. Oxygenates, such as alcohols and ethers, are used effectively as substitutes of toxic lead, as octane enhancers for gasoline. Oil companies are turning to the production of oxygenated ethers due to their lower vapor pressure and their non-hydrophilic nature in comparison with other additives. This global transition to environmentally friendly fuels and the regulation regarding inclusion of biofuels in gasoline mixtures, leads to use of ethers, which could be potentially produced by organically generated ethanol, known as bioethanol. In this context, HELPE refinery of Aspropyrgos altered the existing unit of tert-methyl amyl ether (TAME) synthesis which uses methanol, to the production of ethyl tertiary amyl ether (TAEE) which uses bioethanol. The purpose of this diploma thesis is to create a simulation for TAEE production process of the HELPE refinery’s existing unit, using Aspen Plus Software. This simulation can be later used for studying the effect that various operational parameters have on process’ productivity. Initially, the selection of a suitable thermodynamic model is of a great importance for the precise simulation of the process. Αn activity coefficient model is used for the description of the non-ideal liquid phase, and a Cubic Equation of State (SRK) is used for the vapor phase, due to high pressures that occur in different stages of the process. The binary interaction parameters that are available in Aspen Plus databases are evaluated in comparison with experimental vapor-liquid data and regression was performed where needed. Analysis with regressed parameters in binary mixtures of vapor-liquid equilibrium resulted in the following mean deviations for predicted values of compositions (100Δy) ̅ = 1.8, of pressures %(AARD) ̅ P = 1.6 while the error before regression for predicted pressure is %(AARD) ̅ P = 2.6. Analysis of ternary mixtures of vapor-liquid equilibrium with regressed parameters resulted in %(AARD) ̅ P = 7.5 and (100Δy) ̅ = 1.9. Moreover analysis of liquid-liquid equilibrium resulted in (100Δx) ̅1, aqueous = 0.26 for binary mixtures and in % (AARD) ̅x1, aqueous= 35 for ternary mixtures (where 1 is the component in traces in the mentioned phase). None of the models was proved to be better in vapor-liquid equillibrium analysis, while Uniquac-SRK was slightly better for the liquid-liquid equilibrium. Moreover, the precision of extended Antoine equation was tested for calculation of pure components’ vapor pressure. Reactions in bed reactors are restricted kinetically. The following exothermic reactions are studied: etherification reactions of tertiary olefins contained in FCC naphtha, the Isomerisation reaction of isoamylenes and the secondary reactions, namely alcohol dehydration and 2-methyl-2-butene (2M2B=) hydration using Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson (LHHW) mechanism, with surface reaction being the rate determining step and with neglected mass transfer phenomena due to small catalytic particle size. Activation energy, equillibrium constants, adsorption constants for ethanol and water are applied as taken from literature while the preexponential factor of the kinetic constant is fitted to field data of the refinery. The relative deviation of isoamylenes conversion prediction decreased from ~37% to ~3% with fitted factor, using Uniquac-SRK. Initially, the reaction compartment is simulated using data from the unit’s mass balance with literature constants and with fitting to these data. However, the regression does not predict precisely the field data. Thus, preexponential factors were fitted to field data resulting in an 83.4% conversion of isoamylenes using Uniquac-SRK and 83.6% using NRTL-SRK, while the real conversion was 84.5%. Uniquac-SRK provides less precise results for temperature profile of adiabatic reactors. A tray efficiency distribution was assumed for the interpretation of reactive distillation column in order to reproduce temperature and composition profiles similar to the real data. Uniquac-SRK provides less precise temperature results only for the top and the bottom of RD column. However, Uniquac-SRK performs better for ethanol extraction and ethanol fractionation column. All in all, NRTL-SRK was the most appropriate model because both composition and temperature results are in good agreement with field data especially for reaction part of the process. The aforementioned results confirmed the accuracy of the simulation, especially regarding composition profiles, allowing the use of the model for the interpretation of additional field data. The results indicated 82.8% conversion of isoamylenes using Uniquac-SRK and 82.6% using NRTL-SRK, while the real conversion was 81.1%. Sensitivity analysis was performed testing the productivity fluctuation of the process. An increase in ethanol/isoamylene ratio equal to 0.4 results in 10% increase of process total conversion. However, this increase has an important impact on reactive distillation reboiler’s heat duty, with a growth up to 6.5%. Moreover, the increase in ethanol/isoamylene ratio causes decrease of THEE, TAA and DEE productivity in the primary reactor. Additionally, an raise of reactive distillation’s reflux ratio causes an increase in isoamylenes’ conversion with decreasing rate, enhances the separation of heavy C5’s and results in an increase of reboiler’s heat duty. Lowering the pressure of reactive distillation seems to be favorable for the isoamylenes conversion. Furthermore, side feed in the column of fresh ethanol results in a linear increase of isoamylenes conversion in the column, in a decrease in the finishing reactor and in an overall increase. Except for the parameters mentioned above, the water content in ethanol feed was also tested. It was concluded that a raise in water content resulted in higher TAA productivity and consequently a slight increase in isoamylenes conversions was observed in the primary reactor. TAEE productivity reduced slightly. A water content equal to 0.6% resulted in a maximum purity of ethanol in the distillate stream of ethanol fractionation column.	en
heal.advisorName	Voutsas, Epaminondas	el
heal.committeeMemberName	Voutsas, Epaminondas	en
heal.committeeMemberName	Μαγουλάς, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Theodorou, Doros	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ). Εργαστήριο Θερμοδυναμικής και Φαινομένων Μεταφοράς	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	329 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false