Energy Optimization in a Chemical Plant

Abstract

The master thesis work is carried out at Perstorp Specialty Chemicals AB in Perstorp, Sweden. The master thesis is aimed at one of their processes producing Polyol-A.
Two master theses has previously been carried out at the Polyol-A process plant, during the spring of 2014 in which two separate models of different parts of the process has been built in Chemcad by Martin Nilsson (Nilsson, 2014) and Maria Sundqvist (Sundqvist, 2014). In this master thesis, the two models are added together and some unit operations are modified and altered to reflect the process more accurate. Additional unit operation steps are added so that one complete generic model is formed. The model can be used for mass and energy balance calculations and steam consumption modeling. It can also be used to investigate how changes in one stream or unit operation in the process affect other streams and unit operations in the process and in other application areas when it has been verified against process data.
When the simulation model is complete an optimization case is formulated and investigated. The optimization case is based on steam consumption in the evaporation step and in the crystallization step, which are among the biggest steam consumers in the process. The optimization is performed with constraints based on temperature and mass fraction of water in the feed leaving the evaporation step.
Python, which is an open source programming language, is used for the external optimization of the simulation model encoded in Chemcad. Python is connected to Chemcad using an OPC interface. The advantage of using an external optimization approach is that the user can choose optimization algorithm and how it should be used along with much more.

Popular Abstract (Swedish)

Genom att optimera energiförbrukningen i den kemiska processen för tillverkning av Polyol-A kan årliga besparingar på upp till 1 miljon kronor uppnås. Detta genom att använda ny spännande teknik för att optimera processimuleringar i Chemcad.

I ett samhälle där energipriserna ständigt höjs och fokus hos företagen ligger vid att hålla produktionskostnaderna nere börjar många undersöka alternativ för att spara energi i processen. Detta examensarbete har utförts på Perstorp Specialty Chemicals AB med grund att i framtiden kunna använda resultatet av arbetet för att minska energiförbrukningen i processen.
När man pratar om energiförbrukning i en kemisk process är det ofta förbrukningen av ånga som man talar om. Ånga kan användas på flera ställen i processen bland annat för att värma upp olika enhetsoperationer i processen En minskad energiförbrukning leder i det långa loppet till en minskad belastning på miljön.
I Examensarbetet har en modell över den kemiska processen byggts upp i ett simuleringsprogram som heter Chemcad. Att bygga upp en komplett modell av den kemiska processen i Chemcad ger en bra helhetsbild och överblick över processen. Modellen kan användas för att undersöka hur en förändring i en enhetsoperation eller i en ström påverkar övriga processen. Modellen kan också användas för beräkningar av enskilda enhetsoperationer. Då modellen speglar den verkliga processen väldigt bra kan en önskad förändring först testas i modellen och därefter om möjligt i den kemiska processen istället för att förändringar testas i processen direkt vilket kan vara väldigt riskabelt och leda till problem i efterföljande enheter. Examensarbetet bygger vidare på två tidigare gjorda examensarbeten på företaget där två olika delar av processen byggdes upp i Chemcad. I detta arbete har de två delarna kombinerats och ytterligare delar har i processen har lagts till för att skapa en komplett allmän modell över processen.
I examensarbetet har en optimering genomförts på ångförbrukningen i de första delarna av processen där mycket ånga används. Delarna som undersöks är indunstning i tre steg där vatten drivs av från produktströmmen och därefter kristallisering där ytterligare vatten drivs av och salt som finns i produktströmmen kristalliseras. I sluter av processen vill man ej ha något vatten kvar.

Optimeringen som utförs är en extern optimering av modellen implementerad i Chemcad via Python. Python är ett open source programmerings språk som kommunicerar med Chemcad via OPC teknologi. Detta är ett nytt sätt att optimera modeller i simuleringsprogram så som Chemcad som under det senaste året har utvecklats på institutionen för kemiteknik på Lunds Tekniska Högskola. Det Pythonbaserade ramverket är mycket användarvänligt och en stor fördel med metoden är att den är gratis. De vanligaste programmen för optimering är inte open source vilket betyder att de är mycket kostsamma att använda. För att kunna utföra optimeringen med Python importeras tredjeparts programvara som innehåller numeriska optimeringsalgoritmer.
Resultaten från optimeringen pekar på att en ökad ångförbrukning i indunstningen leder till en större minskning av ångförbrukning i efterföljande kristalliseringssteg. Det innebär en totalt mindre ångförbrukning i den delen av processen som undersöks. Detta visar att om ångförbrukningen in i det första indunstarsteget ökar kommer den totala ångförbrukningen i det efterföljande steget att minska. Minskningen av ånga som fås i optimeringen skulle både innebära en besparing på ca 1 miljon kronor varje år samt en minskad ansträngning på miljön.

• author: Brickling, Frida
• supervisor: Anders Holmqvist
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.); Department of Chemistry
• course: KET920 20142
• year: 2015
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• language: English
• id: 4936117
• date added to LUP: 2015-01-22 12:27:28
• date last changed: 2015-01-22 12:27:28