1 Proizvodnja elektrine energije v kemijskih procesih Anita

1

Proizvodnja električne energije v kemijskih procesih Anita Kovač Kralj 2

3

Razviti sta dve glavni metodi optimiranja dve glavni Temelji: tremodin. osnovah Termodinamska analiza uščipa + enostavno ni energetsko simultano integriranje novejša Matematična: MINLP* in NLP+ + težje simultanost rešljiva za velike globalna procese rešitev *MINLP mešano celoštevilsko nelinearno programiranje +NLP nelinearno programiranje 4

Termodinamska analiza uščipa Matematična: MINLP* in NLP& Namen: Uporabljamo obe metodi hkrati Cilj: pozitivne lastnosti se pomnožijo in slabosti delijo Najdemo: najboljšo posodobitev oz. rekonstrukcijo *MINLP mešano celoštevilsko nelinearno programiranje &NLP nelinearno programiranje 5

Matematično optimiranje MINLP* oz. NLP& MINLP& model podamo Masna in energetska bilanca procesa Parametrično optimiranje T, p. . . NLP povezava Namenska funkcija strukturno optimiranje simultanost y Opis strukture *MINLP mešano celoštevilsko nelinearno programiranje &NLP nelinearno programiranje 6

1 2 3 4 5 7

Splošno: Odprta plinska turbina peč je znotraj kroga 8

1. Kogeneracija električne energije V proces, v katerem se proizvaja produkt pri visokem tlaku in zaradi njegovega čiščenja tlak znatno zniža, je smiselno vgraditi odprto plinsko turbino Pogoj: p Iztok iz reaktorja je delovni fluid: P m t (Tt – Th)/Tt = m t t 9

V procesu: Odprto plinska turbina s separatorjem 10

1. Kogeneracija električne energije • Moč plinske turbine (Ptur) je funkcija: izhodne temperature (Ttur, out) molske specifične kapacitete (Cm) množinskega pretoka (F) • Ptur = Cm(Ttur, in Ttur, out)F; Ttur, in =konst. • Učinkovitosti: turbine, tur = 85 % generator, gen = 85 % 11

2. Toplotna integracija v procesu: Optimizacija toplotnega toka reaktorskega iztoka med kogeneracijo in toplotno integracijo 12

3. Optimizacija pretokov vhodnih surovin Spreminjanje masnega vtoka surovin vpliva na: - Reakcijsko ravnotežje in s tem tudi na presnovo - Toplotne tokove In posledica tega je: da lahko povečamo proizvodnjo produkta (4) in zmanjšamom emisije CO 2 na izvoru (5). 13

PRAKTIČNO: Optimiranje procesa sinteze metanola ZAHVALA: Nafti Petrochem Lendava 14

Poenostavljen parametrični in strukturni model 15

Pretok dodatnega vodika v proces • Dodatni pretok vodika, FH 2 : poveča proizvodnjo produkta CO + 2 H 2 CH 3 OH CO 2 + 3 H 2 CH 3 OH + H 2 O CO 2 + H 2 CO + H 2 O 298 r. H = 90, 77 k. J/mol 298 r. H = 49, 58 k. J/mol 298 r. H = 41, 19 k. J/mol • H 2 bi ločili iz odtočnih plinov v obstoječi (neaktivni) koloni PSA (pressure swing adsorption; molekularna sita=zeoliti) • v NLP model FH optimiramo med: 0 kg/h to 488 kg/h 16

Princip delovanje obstoječe kolone PSA 17

Zmanjšanje pretoka vodne pare • Zmanjšanje pretoka vodne pare, Fpara: poveča pretok CO in zmanjša pretok CO 2 v sinteznem plinu: 3 C 3 H 8 + 10 H 2 O 3, 5 CO 2 + 17 H 2 + 3 CO + 2, 5 CH 4; 298 r. H = 277, 88 k. J/mol 3 C 2 H 6 + 6, 5 H 2 O 2 CO + 12 H 2 + 1, 75 CH 4 + 2, 25 CO 2; 298 r. H = 196, 17 k. J/mol 3 C 4 H 10 + 13, 5 H 20 4, 75 CO 2 + 22 H 2 + 4 CO + 3, 25 CH 4; 298 r. H = 361, 48 k. J/mol CH 4 + H 2 O CO + 3 H 2; 298 r. H = 206, 08 k. J/mol CO + H 2 O CO 2 + H 2; 298 r. H = 41, 17 k. J/mol l zmanjšanje Fpara vpliva na: povečanje proizvodnje metanola zmanjšanje CO 2 emisije prihranek pri pari • V NLP modelu Fpara optimiramo med: l obstoječimi 33 100 kg/h in spodnjo mejo 32 000 kg/h 18

Namenska funkcija • največji dodatni letni dobiček: • Dobiček = prihodek amortizacija strošek čiščenja H 2 strošek za nakup pare v PARA emisijska taksa Dobiček = Cel Ptur gen + CM ΔFM + C 37 Δfpara-sur new (22 946 + 13, 5 Ptur) 4 [2 605 PCOMP 10, 82 2 605 PCOMP 20, 82 Σ (8600 + 670 AHE, new 0, 83) 3, 5 2 Σ 670 ΔAHE, add 0, 83 3, 5 2] · r add CH 2 FH 2 C 37 PARA Ctax FCM, CO 2 Prihodek je vsota: Amortizacija: - kogeneracija el. energije - proizvodnja metanola - prihranek pri pari - plinska turbina P - dvo-stopenjski kompresor - toplotni prenosniki (novi in razširjeni) 19

Rezultati Dodatni letni prihodek: kogeneracija el. energije: proizvodnja dod. metanola: Prihranek pri pari: Znižanje CO 2 emisijske takse: Amortizacija za dvostopenjski kompresor, plinsko turbino in nova prenosnika: • Strošek čiščenja H 2 v obstoječi koloni PSA: Strošek za paro v PARA: Celotni dodatni dobiček: 7, 61 MEUR/a 0, 36 MEUR/a 0, 02 MEUR/a – 2, 69 MEUR/a – 0, 40 MEUR/a – 2, 42 MEUR/a 2, 54 MEUR/a 20

Rezultati 21

Optimiran proces sinteze metanola ZAHVALA: Nafti Petrochem Lendava 22

Masna in energetska bilanca za reaktor za sintezo metanola ENSM 1. . KM 1=E=0. 31899 -0. 0011353*TM+0. 10118 E-05*TM**2; ENSM 2. . KM 2=E=0. 00021822 -0. 3761 E-06*TM; ENSM 3. . KM 3=E=-0. 11159+0. 00023429*TM; ENSM 4. . YMCO=E=(NSM*YSMCO-KSIM 1+ KSIM 3)/ (NSM -2*KSIM 1 -2*KSIM 2); ENSM 5. . YMH 2=E=(NSM*YSMH 2 -2*KSIM 1 -3*KSIM 2 -KSIM 3)/ (NSM -2*KSIM 1 -2*KSIM 2); ENSM 6. . YMCH 3 OH=E=(NSM*YSMCH 3 OH+KSIM 1+ KSIM 2)/ (NSM -2*KSIM 1 -2*KSIM 2); ENSM 7. . YMCO 2=E=(NSM*YSMCO 2 -KSIM 2 - KSIM 3)/ (NSM -2*KSIM 1 -2*KSIM 2); ENSM 8. . YMH 2 O=E=(NSM*YSMH 2 O+KSIM 2+ KSIM 3 )/ (NSM -2*KSIM 1 -2*KSIM 2); ENSM 9. . YMN 2=E=(NSM*YSMN 2)/ (NSM -2*KSIM 1 -2*KSIM 2); ENSM 10. . YMCH 4=E=(NSM*YSMCH 4)/ Nespremenjeni ENSM 12. . NMCO=E=NSM*YSMCO-KSIM 1+ KSIM 3; ENSM 13. . NMH 2=E=NSM*YSMH 2 -2*KSIM 1 -3*KSIM 2 -KSIM 3; ENSM 14. . NMCH 3 OH=E=NSM*YSMCH 3 OH+KSIM 1+ KSIM 2; ENSM 15. . NMCO 2=E=NSM*YSMCO 2 -KSIM 2 - KSIM 3; ENSM 16. . NMH 2 O=E=NSM*YSMH 2 O+KSIM 2+ KSIM 3; ENSM 17. . NMN 2=E=NSM*YSMN 2; ENSM 18. . NMCH 4=E=NSM*YSMCH 4; ENSM 20. . NM=E=NMCO +NMH 2+NMCH 3 OH +NMCO 2 +NMH 2 O +NMN 2 +NMCH 4 ; ENSM 20 A. . YSMCO +YSMH 2+YSMCH 3 OH +YSMCO 2 +YSMH 2 O +YSMN 2 +YSMCH 4=L=1. 01 ; ENSM 20 a. A. . YSMCO +YSMH 2+YSMCH 3 OH +YSMCO 2 +YSMH 2 O +YSMN 2 +YSMCH 4=g=0. 995 ; ENSM 20 B. . YMCO +YMH 2+YMCH 3 OH +YMCO 2 +YMH 2 O +YMN 2 +YMCH 4=L=1. 01 ; ENSM 20 C. . YMCO +YMH 2+YMCH 3 OH +YMCO 2 +YMH 2 O +YMN 2 +YMCH 4=G=0. 95 Reaktor Ravnotežne presnove Kr=f(T) pogoji obratovanja 23

Masna in energetska bilanca za plinsko turbino ENTU 1. . QTUR=E=(TM-TTURIZ)*NM*CPTUR*4. 2/1000; ENTU 3. . CPTUR=E=(CPTURV+CPTURIZ)/2; ENTU 4. . CPTURV=E=(ACO 2 +BCO 2*TM+DCO 2/(TM**2) )*YMCO 2 + (ACO + BCO*TM+DCO/(TM**2) )*YMCO + (AH 2 + BH 2*TM+DH 2/(TM**2) )*YMH 2 + (ACH 4 +BCH 4*TM+CCH 4*TM**2 )*YMCH 4 + (ACH 3 OH +BCH 3 OH*TM + CCH 3 OH*TM**2 )*YMCH 3 OH + (AN 2 + BN 2*TM+DN 2/(TM**2) )*YMN 2 + (AH 2 O + BH 2 O*TM+DH 2 O/(TM**2) )*YMH 2 O; ENTU 5. . CPTURIZ=E=(ACO 2 +BCO 2*TTURIZ+DCO 2/(TTURIZ**2) )*YMCO 2 + (ACO + BCO*TTURIZ+DCO/(TTURIZ**2) )*YMCO + (AH 2 + BH 2*TTURIZ+DH 2/(TTURIZ**2) )*YMH 2 + (ACH 4 +BCH 4*TTURIZ+CCH 4*TTURIZ**2 )*YMCH 4 + (ACH 3 OH +BCH 3 OH*TTURIZ + CCH 3 OH*TTURIZ**2 )*YMCH 3 OH + (AN 2 + BN 2*TTURIZ+DN 2/(TTURIZ**2) )*YMN 2 + (AH 2 O + BH 2 O*TTURIZ+DH 2 O/(TTURIZ**2) )*YMH 2 O; ENTU 6. . MTUR=E=QTUR*0. 9; Plinska turbina Vpliv T in p Izračun moči 24

Masna in energetska bilanca za prenosnik E 202 ENE 41. . (TSME 4 -TSM)*NSM*CPE 4*4. 2/1000+NAPAKAE 4=E=QE 4; ENE 42. . (TTURIZ- TE 4)*NM*CPE 4 T*4. 2/1000 +NAPAKAE 4 T=E=QE 4; ENE 43. . CPE 4=E=(CPE 4 V+CPE 4 IZ)/2; ENE 44. . CPE 4 V=E=(ACO 2 +BCO 2*TSM+DCO 2/(TSM**2) )*YSMCO 2 + (ACO + BCO*TSM+DCO/(TSM**2) )*YSMCO + (AH 2 + BH 2*TSM+DH 2/(TSM**2) )*YSMH 2 + (ACH 4 +BCH 4*TSM+CCH 4*TSM**2 )*YSMCH 4 + (AH 2 O + BH 2 O*TSM+DH 2 O/(TSM**2) )*YSMH 2 O+ (ACH 3 OH +BCH 3 OH*TSM + CCH 3 OH*TSM**2 )*YSMCH 3 OH + (AN 2 + BN 2*TSM+DN 2/(TSM**2) )*YSMN 2 ; ENE 45. . CPE 4 IZ=E=(ACO 2 +BCO 2*TSME 4+DCO 2/(TSME 4**2) )*YSMCO 2 + (ACO + BCO*TSME 4+DCO/(TSME 4**2) )*YSMCO + (AH 2 + BH 2*TSME 4+DH 2/(TSME 4**2) )*YSMH 2 + (ACH 4 +BCH 4*TSME 4+CCH 4*TSME 4**2 )*YSMCH 4 + (AH 2 O + BH 2 O*TSME 4+DH 2 O/(TSME 4**2) )*YSMH 2 O+ (ACH 3 OH +BCH 3 OH*TSME 4 + CCH 3 OH*TSME 4**2 )*YSMCH 3 OH + (AN 2 + BN 2*TSME 4+DN 2/(TSME 4**2) )*Ys. MN 2 ; ENE 43 A. . CPE 4 T=E=(CPE 4 TV+CPE 4 TIZ)/2; ENE 44 A. . CPE 4 TV=E=(ACO 2 +BCO 2*TTURIZ+DCO 2/(TTURIZ**2) )*YMCO 2 + (ACO + BCO*TTURIZ+DCO/(TTURIZ**2) )*YMCO + (AH 2 + BH 2*TTURIZ+DH 2/(TTURIZ**2) )*YMH 2 + (ACH 4 +BCH 4*TTURIZ+CCH 4*TTURIZ**2 )*YMCH 4 + (AH 2 O + BH 2 O*TTURIZ+DH 2 O/(TTURIZ**2) )*YMH 2 O+ (ACH 3 OH +BCH 3 OH*TTURIZ + CCH 3 OH*TTURIZ**2 )*YMCH 3 OH + (AN 2 + BN 2*TTURIZ+DN 2/(TTURIZ**2) )*YMN 2 ; ENE 45 A. . CPE 4 TIZ=E=(ACO 2 +BCO 2*TE 4+DCO 2/(TE 4**2) )*YMCO 2 + (ACO + BCO*TE 4+DCO/(TE 4**2) )*YMCO + (AH 2 + BH 2*TE 4+DH 2/(TE 4**2) )*YMH 2 + (ACH 4 +BCH 4*TE 4+CCH 4*TE 4**2 )*YMCH 4 + (AH 2 O + BH 2 O*TE 4+DH 2 O/(TE 4**2) )*YMH 2 O+ (ACH 3 OH +BCH 3 OH*TE 4 + CCH 3 OH*TE 4**2 )*YMCH 3 OH + (AN 2 + BN 2*TE 4+DN 2/(TE 4**2) )*YMN 2 ; ENE 49. . TTURIZ=G=TSME 4+12; ENE 410. . TE 4=G=TSM+10; en. E 46. . LE 4=E=( (TTURIZ-TSME 4)-(TE 4 -TSM) )/(LOG((TTURIZ-TSME 4)/(TE 4 -TSM))); ENE 47. . AE 4=E=QE 4/(0. 37616*LE 4); Izmenjava toplote v procesu 25

Masna in energetska bilanca za ločilnik F 202 ENF 61. . NMCO 2=E=NMP*YMPCO 2 +NMT*YMTCO 2; ENF 62. . NMCO=E=NMP*YMPCO +NMT*YMTCO; ENF 63. . NMH 2 O=E=NMP*YMPH 2 O +NMT*YMTH 2 O; ENF 64. . NMH 2=E=NMP*YMPH 2 +NMT*YMTH 2; ENF 65. . NMCH 4=E=NMP*YMPCH 4 +NMT*YMTCH 4; ENF 65 B. . NMCH 3 OH=E=NMP*YMPCH 3 OH +NMT*YMTCH 3 OH; ENF 65 C. . NMN 2=E=NMP*YMPN 2 +NMT*YMTN 2; ENF 66. . NM=E=NMP +NMT-napakaf 61+napakaf 62; ENF 66 a. . NMP=E=NMP*(YMPCO 2 +YMPCO +YMPH 2 +YMPCH 4 +YMPCH 3 OH +YMPN 2); ENF 67. . YMPCO 2+YMPCO+YMPH 2+YMPCH 4+YMPCH 3 OH+YMPN 2=L=1. 05; ENF 67 a. . YMPCO 2+YMPCO+YMPH 2+YMPCH 4+YMPCH 3 OH+YMPN 2=g=0. 995; ENF 68. . YMTCO 2+YMTCO+YMTH 2+YMTCH 4+YMTCH 3 OH+YMTN 2=G=0. 995; ENF 69. . YMTCO 2+YMTCO+YMTH 2+YMTCH 4+YMTCH 3 OH+YMTN 2=L=1. 05; ENF 60. . YMPCO 2=E=KF 6 CO 2*YMTCO 2; ENF 611. . YMPCO=E=KF 6 CO*YMTCO; ENF 612. . YMPH 2 O=E=KF 6 H 2 O*YMTH 2 O; ENF 613. . YMPH 2=E=KF 6 H 2*YMTH 2; ENF 614. . YMPCH 4=E=KF 6 CH 4*YMTCH 4; ločilnik ENF 614 A. . YMPCH 3 OH=E=KF 6 CH 3 OH*YMTCH 3 OH; ENF 614 B. . YMPN 2=E=KF 6 N 2*YMTN 2; ENF 615. . KF 6 CO 2=E=DF 6 CO 2+CF 6 CO 2*TF 6; ENF 616. . KF 6 CO=E=DF 6 CO+CF 6 CO*TF 6; ENF 617. . KF 6 H 2 O=E=DF 6 H 2 O+CF 6 H 2 O*TF 6; ENF 618. . KF 6 H 2=E=DF 6 H 2; Ravnotežje med: ENF 619. . KF 6 CH 4=E=DF 6 CH 4+CF 6 CH 4*TF 6; ENF 619 A. . KF 6 CH 3 OH=E=DF 6 CH 3 OH+CF 6 CH 3 OH*TF 6; paro in tekočino 26

Masna in energetska bilanca za mešalnik M 2 ENM 31. . NSF 5 P +NMPO-NAPAKAM 3 =e=NSM; ENM 32. . NSM*YSMCO 2=E=NMPO*YMPCO 2 +NSF 5 P*YF 5 CO 2 P ; ENM 33. . NSM*YSMCO=E=NMPO*YMPCO +NSF 5 P*YF 5 COP; ENM 34. . NSM *YSMH 2 O=E=NMPO*YMPH 2 O +NSF 5 P*YF 5 H 2 OP; ENM 35. . NSM *YSMH 2=E=NMPO*YMPH 2 +NSF 5 P*YF 5 H 2 P ; ENM 35 A. . NSM *YSMN 2=E=NMPO*YMPN 2 +NSF 5 P*YF 5 N 2 P ; ENM 36. . NSM *YSMCH 4=E=NMPO*YMPCH 4 +NSF 5 P*YF 5 CH 4 P; ENM 38. . NSM *YSMCH 3 OH=E=NMPO*YMPCH 3 OH; ENM 310. . NSF 5 P*TCP 2*CPTCP 2/1000+NMPO*TCP 3*CPTCP 3/1000 -NAPAKAM 3 E =e=NSM*TSM*CPTSM/1000 ; ENM 311. . CPTCP 2=E=(ACO 2 +BCO 2*TCP 2+DCO 2/(TCP 2**2) )*YF 5 CO 2 P+ (ACO + BCO*TCP 2+DCO/(TCP 2**2) )*YF 5 COP + (AH 2 + BH 2*TCP 2+DH 2/(TCP 2**2) )*YF 5 H 2 P + (AN 2 + BN 2*TCP 2+DN 2/(TCP 2**2) )*YF 5 N 2 P + (ACH 4 +BCH 4*TCP 2+CCH 4*TCP 2**2 )*YF 5 CH 4 P + (AH 2 O + BH 2 O*TCP 2+DH 2 O/(TCP 2**2) )*YF 5 H 2 OP; ENM 312. . CPTCP 3=E=(ACO 2 +BCO 2*TCP 3+DCO 2/(TCP 3**2) )*YMPCO 2 + (ACO + BCO*TCP 3+DCO/(TCP 3**2) )*YMPCO + (AH 2 + BH 2*TCP 3+DH 2/(TCP 3**2) )*YMPH 2 + (AN 2 + BN 2*TCP 3+DN 2/(TCP 3**2) )*YMPN 2 + (ACH 4 +BCH 4*TCP 3+CCH 4*TCP 3**2 )*YMPCH 4 + (AH 2 O + BH 2 O*TCP 3+DH 2 O/(TCP 3**2) )*YMPH 2 O+ (ACH 3 OH +BCH 3 OH*TCP 3+CCH 3 OH*TCP 3**2 )*YMPCH 3 OH; ENM 313. . CPTSM=E=(ACO 2 +BCO 2*TSM+DCO 2/(TSM**2) )*YSMCO 2 + (ACO + BCO*TSM+DCO/(TSM**2) )*YSMCO + (AH 2 + BH 2*TSM+DH 2/(TSM**2) )*YSMH 2 + (AN 2 + BN 2*TSM+DN 2/(TSM**2) )*YSMN 2 + (ACH 4 +BCH 4*TSM+CCH 4*TSM**2 )*YSMCH 4 + (AH 2 O + BH 2 O*TSM+DH 2 O/(TSM**2) )*YSMH 2 O+ (ACH 3 OH +BCH 3 OH*TSM + CCH 3 OH*TSM**2 )*YSMCH 3 OH; 27

Povzetek • Kogenerirajmo • Integrirajmo • Optimirajmo pretoke surovin 28

Hvala za pozornost 29