Προσομοίωση μονάδας παραγωγής αιθυλο-τριτοταγούς αμυλαιθέρα (ΤΑΕΕ) του διυλιστηρίου ΕΛΠΕ Ασπροπύργουμε χρήση Petro-SIM

Οικονόμου, Γεώργιος; Economou, Georgios

dc.contributor.author	Οικονόμου, Γεώργιος	el
dc.contributor.author	Economou, Georgios	en
dc.date.accessioned	2024-04-22T08:41:36Z
dc.date.available	2024-04-22T08:41:36Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/59236
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.26932
dc.rights	Default License
dc.subject	Προσομοίωση	el
dc.subject	Αιθυλο-τριτοταγής αμυλαιθέρας	el
dc.subject	Καύσιμα	el
dc.subject	Διυλιστήριο	el
dc.subject	Θερμοδυναμική	el
dc.subject	Petro-SIM	en
dc.subject	Reactive distillation	en
dc.subject	TAEE	en
dc.subject	Tert-amyl ethyl ether	en
dc.subject	Process simulation	en
dc.title	Προσομοίωση μονάδας παραγωγής αιθυλο-τριτοταγούς αμυλαιθέρα (ΤΑΕΕ) του διυλιστηρίου ΕΛΠΕ Ασπροπύργουμε χρήση Petro-SIM	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Σχεδιασμός διεργασιών	el
heal.classification	Θερμοδυναμική	el
heal.classification	Χημική μηχανική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-10-02
heal.abstract	Η παρασκευή καυσίμων υψηλών προδιαγραφών απαιτεί την προσθήκη οξυγονούχων ενώσεων που διασφαλίζουν τη βέλτιστη καύση στον κινητήρα. Μετά την απαγόρευση της χρήσης μολύβδου άρχισαν να χρησιμοποιούνται αλκοόλες και αιθέρες για την αύξηση του αριθμού οκτανίου της βενζίνης. Η απαίτηση καυσίμων χαμηλής τάσης ατμών και χαμηλής διαλυτότητας στο νερό σταδιακά οδηγεί στην αύξηση της παραγωγής των αιθέρων έναντι αλκοολών προς χρήση ως πρόσθετα. Ακόμα, οι παγκόσμιες εξελίξεις όσον αφορά στην κλιματική αλλαγή επιφέρουν τη θέσπιση περιβαλλοντικών μέτρων που αποσκοπούν στην αύξηση της παραγωγής πράσινων καυσίμων. Ως εκ τούτου παρατηρείται στροφή της πετρελαϊκής βιομηχανίας στους αιθέρες που μπορούν να παραχθούν από βιοαιθανόλη, δηλαδή αιθανόλη βιολογικής προέλευσης. Στην παρούσα διπλωματική μελετάται η διεργασία παραγωγής αιθυλο-τριτοταγούς αμυλαιθέρα (ΤΑΕΕ), ο οποίος πληροί όλα τα κριτήρια που αναφέρθηκαν. Ειδικότερα σκοπός της διπλωματικής είναι η αναλυτική μελέτη και προσομοίωση της διεργασίας παραγωγής ΤΑΕΕ της υφιστάμενης μονάδας του διυλιστηρίου Ασπροπύργου των ΕΛΠΕ. Η προσομοίωση γίνεται στο υπολογιστικό περιβάλλον του Petro-SIM 6.2 και το τελικό μοντέλο αξιοποιείται για τη διερεύνηση βελτιστοποίησης της διεργασίας. Βασική προϋπόθεση για την ανάπτυξη ενός εύστοχου μοντέλου προσομοίωσης είναι η επιλογή κατάλληλου θερμοδυναμικού μοντέλου. Λαμβάνοντας υπόψη τον μη ιδανικό χαρακτήρα του συστήματος, αλλά και το υψηλό εύρος πίεσης λειτουργίας της διεργασίας, επιλέγεται η χρήση ενός μοντέλου ενεργότητας σε συνδυασμό με κυβική καταστατική εξίσωση (NRTL-SRK). Η επιλογή των κατάλληλων δυαδικών παραμέτρων αλληλεπίδρασης, βασίζεται σε προηγούμενο ερευνητικό έργο που πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο θερμοδυναμικής. Η αξιοπιστία του θερμοδυναμικού μοντέλου επαληθεύεται μέσω ελέγχου της πρόβλεψης της ισορροπίας φάσης ατμού-υγρού σε επιλεγμένα δυαδικά συστήματα. Οι προβλέψεις του μοντέλου συγκρίνονται με αντίστοιχα πειραματικά δεδομένα ισορροπίας φάσεων, και υπολογίζονται οι σχετικές αποκλίσεις. Ενδεικτικά τα μέσα σχετικά σφάλματα πίεσης και σύστασης ατμώδους φάσης ανέρχονται σε 1.48% και 0.98% αντίστοιχα, πράγμα που αποτελεί ένδειξη εύστοχης θερμοδυναμικής μοντελοποίησης. Όσον αφορά στην κινητική μοντελοποίηση, επιδιώκεται η εισαγωγή όλων των αντιδράσεων της διεργασίας στην προσομοίωση. Ειδικότερα μελετώνται οι αντιδράσεις αιθεροποίησης (με αιθανόλη) των ισοαμυλενίων και των ολεφινών που περιέχονται στο ρεύμα ελαφριάς νάφθας καταλυτικής πυρόλυσης (FCC) του διυλιστηρίου, ο ισομερισμός των ισοαμυλενίων, η αφυδάτωση της αιθανόλης προς παραγωγή διαιθυλαιθέρα (DEE) και η ενυδάτωση του ισοαμυλενίου 2-μέθυλο-2-βουτένιο προς παραγωγή 2-μεθυλβουταν-2-όλης (ΤΑΑ). Δεδομένου ότι όλες οι αντιδράσεις πραγματοποιούνται μέσω ετερογενούς κατάλυσης, επιλέγεται ο μηχανισμός Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson (LHHW) για την περιγραφή τους. Ωστόσο, ο όρος της προσρόφησης που ορίζεται στη συγκεκριμένη έκφραση του ρυθμού δεν είναι εφικτό να εισαχθεί στις αντιδράσεις του προσομοιωτή και επομένως γίνεται προσαρμογή της κινητικής σταθεράς. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιούνται βιβλιογραφικά δεδομένα όσον αφορά τις τιμές των σταθερών ισορροπίας και ενέργειας ενεργοποίησης των αντιδράσεων, αλλά γίνεται προσαρμογή του προεκθετικού παράγοντα της κινητικής σταθεράς, έτσι ώστε να συμπεριλαμβάνεται η επίδραση της παραλειπόμενης σταθεράς προσρόφησης. Η συγκεκριμένη προσέγγιση κινητικής μοντελοποίησης αποδεικνύεται αποτελεσματική, καθώς οι τελικές προσαρμοσμένες κινητικές σταθερές οδηγούν σε ικανοποιητική πρόβλεψη της μετατροπής των αντιδράσεων στον αρχικό αντιδραστήρα. Σημειώνεται ότι οι προσαρμοσμένες παράμετροι χρησιμοποιούνται για την περιγραφή των αντιδράσεων στους δύο αντιδραστήρες, αλλά όχι για στην στήλη απόσταξης με αντίδραση (Reactive Distillation) για την οποία ο προσομοιωτής επιτρέπει μόνο τον ορισμό σταθεράς ισορροπίας. Ύστερα από την ολοκλήρωση της θερμοδυναμικής και κινητικής μοντελοποίησης, γίνεται προσομοίωση ολόκληρης της συνεχούς διεργασίας. Μελετώνται δύο σενάρια. Στο πρώτο γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων με τα δεδομένα που παρέχει ο κατασκευαστής για την κανονική λειτουργία της μονάδας και στο δεύτερο γίνεται προσομοίωση και αξιολόγηση σύμφωνα με πραγματικά δεδομένα λειτουργίας του διυλιστηρίου από τις 20/5/2020. Σε γενικές γραμμές σημειώνεται ικανοποιητική πρόβλεψη του μοντέλου προσομοίωσης, καθώς και στις δύο περιπτώσεις παρατηρούνται χαμηλές αποκλίσεις στις συστάσεις των ρευμάτων της διεργασίας, μεταξύ των προσομοιώσεων και των δεδομένων. Ωστόσο, δεν επιτυγχάνεται ακριβής πρόβλεψη της παραγωγής ΤΑΕΕ για τα επιμέρους στάδια της διεργασίας, καθώς υπολογίζονται σημαντικές αποκλίσεις για την μετατροπή ισοαμυλενίων, ιδίως στο δεύτερο σενάριο αξιολόγησης. Ενδεικτικά, τα σχετικά σφάλματα μετατροπής ισοαμυλενίων στους δύο αδιαβατικούς καταλυτικούς αντιδραστήρες (PR, FR) και τη στήλη απόσταξης με αντίδραση (RD) ανέρχονται σε 4.4% (PR), 19.6% (FR), 8.9% (RD) για την πρώτη περίπτωση και 21.7% (PR), 21.4% (FR), 6.0% (RD) για τη δεύτερη. Παρά τη διακύμανση στις αποκλίσεις των δύο αντιδραστήρων το μοντέλο δίνει ικανοποιητικές προβλέψεις όσον αφορά στη συνολική απόδοση της διεργασίας ως προς την παραγωγή ΤΑΕΕ, καθώς και στις δύο περιπτώσεις η απόκλιση στη συνολική μετατροπή ισοαμυλενίων είναι χαμηλότερη του 4%. Η αδυναμία του μοντέλου να προβλέψει με ακρίβεια την παραγωγή ΤΑΕΕ στους δύο αντιδραστήρες, αποδίδεται εν μέρει στο φαινόμενο καταλυτικής απενεργοποίησης. Για την αύξηση της αξιοπιστίας των αποτελεσμάτων αλλά και για τη μελέτη της διεργασίας σε βάθος χρόνου, διερευνάται η εισαγωγή της επίδρασης της καταλυτικής γήρανσης στο κινητικό μοντέλο. Πιο συγκεκριμένα συλλέγονται βιομηχανικά δεδομένα για τη λειτουργία της μονάδας τα τελευταία τρία έτη με σκοπό να γίνει νέα προσαρμογή του προεκθετικού παράγοντα Α. Η προσαρμογή αφορά τις παραμέτρους των δύο αντιδράσεων παραγωγής ΤΑΕΕ και γίνεται με δοκιμή και σφάλμα επιδιώκοντας την κατά το δυνατό προσέγγιση της μετατροπής του αρχικού αντιδραστήρα στις επιλεγμένες ημέρες λειτουργίας. Στη συνέχεια, γίνεται συσχέτιση των προσαρμοσμένων τιμών με το χρόνο λειτουργίας της μονάδας, (από την έναρξη παραγωγής ΤΑΕΕ). Από τη συσχέτιση προκύπτουν δύο εξισώσεις (μία για κάθε αντίδραση), οι οποίες χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό των κινητικών παραμέτρων συναρτήσει του χρόνου λειτουργίας. Η αξιοποίηση των εξισώσεων για την προσομοίωση της λειτουργίας της μονάδας σε βάθος χρόνου οδηγεί στο συμπέρασμα ότι αυτή η προσέγγιση συμβάλλει σημαντικά στην αύξηση της αξιοπιστίας του μοντέλου. Ωστόσο, πρέπει να σημειωθεί ότι η μετατροπή των αντιδράσεων επηρεάζεται σημαντικά από παροδικές συνθήκες λειτουργίας της μονάδας και συνεπώς η ακριβής εκτίμησή της, δεν είναι πάντα εφικτή. Τελικό αντικείμενο μελέτης της παρούσας διπλωματικής αποτελεί η διερεύνηση βελτιστοποίησης του διαχωρισμού αιθανόλης-νερού της διεργασίας. Ο τρέχων διαχωρισμός πραγματοποιείται μέσω συμβατικής απόσταξης (στήλη Ν-4906) σε ατμοσφαιρική πίεση και περιορίζεται σημαντικά από το σχηματισμό αζεότροπου μεταξύ των δύο συστατικών. Για την άρση του συγκεκριμένου περιορισμού και την ανάκτηση καθαρής αιθανόλης, προτείνεται η μέθοδος της εκχυλιστικής απόσταξης. Κατά τη μελέτη του προτεινόμενου διαχωρισμού σημειώνεται ότι η βέλτιστη λειτουργία της διάταξης εκχυλιστικής απόσταξης προϋποθέτει την τροφοδοσία ποσότητας διαλύτη μεγαλύτερης ή ίσης (σε mole) της ποσότητας του μίγματος προς διαχωρισμό. Δεδομένης της τάξης μεγέθους των ρευμάτων του διυλιστηρίου κρίνεται αναγκαίο για τη βιωσιμότητα της διεργασίας να γίνεται συνεχής επαναχρησιμοποίηση του διαλύτη. Επίσης, διαπιστώνεται ότι η πλήρης ανάκτηση και ανακυκλοφορία του διαλύτη ενδέχεται να περιορίζεται από το σημείο θερμικής αποσύνθεσης του διαλύτη. Λαμβάνοντας υπόψη τους παραπάνω περιορισμούς, διερευνάται η χρήση αιθυλενογλυκόλης, τρι-αιθυλενογλυκόλης και γλυκερόλης ως διαλύτες εκχυλιστικής απόσταξης. Ύστερα από προσομοίωση του διαχωρισμού και με τους τρεις διαλύτες προκύπτει ότι η γλυκερόλη υπερέχει σημαντικά, καθώς συνιστά το μόνο διαλύτη που επιτρέπει την ανάκτηση καθαρής αιθανόλης ενώ έχει υψηλή θερμοκρασία βρασμού και επομένως μπορεί να ανακυκλώνεται χωρίς να αποσυντίθεται. Μάλιστα η χρήση γλυκερόλης για το συγκεκριμένο σκοπό έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον δεδομένου ότι η συγκεκριμένη ουσία παράγεται σε υψηλές ποσότητες κατά την παραγωγή του βιοντίζελ. Αφού ολοκληρωθεί ο σχεδιασμός της εκχυλιστικής απόσταξης, η διάταξη ενσωματώνεται στην κανονική διεργασία, αντικαθιστώντας τη στήλη Ν-4906 και αξιολογείται η βελτίωση του διαχωρισμού σε συνθήκες κανονικής λειτουργίας. Τα τελικά αποτελέσματα δείχνουν αύξηση της καθαρότητας της ανακτώμενης αιθανόλης από 85% σε 98%.	el
heal.advisorName	Βουτσάς, Επαμεινώνδας	el
heal.committeeMemberName	Βουτσάς, Επαμεινώνδας	el
heal.committeeMemberName	Παππά, Γεωργία	el
heal.committeeMemberName	Τόπακας, Ευάγγελος	el
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	152 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false