Modellering och optimering av TMP:s kristallisator

Abstract

The aim of this thesis work was to create a model describing the crystallization process of sodium formate and to calibrate this model to real process data. Sodium formate is a by-product formed during the production of Trimethylolpropane (TMP). The model used is based on the population balance equation and include crystallization mechanisms such as particle nucleation, growth and agglomeration. The model created will describe the particle size distribution of sodium formate crystals and the crystals will be divided into different classes according to size. The program used for the simulation is Scilab 5.5.2.
The particle size distribution is expressed in volume%. After calibration, the created model differ some from real process data. The number of crystals of the smaller ones is too low and the large crystals are too many. Also the width of the distribution is too small. The best simulation, namely the one with the smallest deviation from real process data, was when the crystals where divided into 10 size-classes. The deviation/class where then ±5.8 volume units. A proposal for further work is to extend the model and add a term describing breakage of crystals. This will lead to more small crystals, less of the bigger ones and a wider distribution. Only one particle size distribution experiment has been done and to be sure that this distribution agrees with the distribution in the TMP-crystallizer, more experiment needs to be executed.

Popular Abstract (Swedish)

För en kemisk industri är lönsamhet av största vikt, vilket uppnås via effektivisering av tillverkningsprocessen och ökad försäljning. I TMP-fabriken har man nu nått maximal produktionskapacitet genom att undersöka specifika driftparametrars inverkan på produktionshastigheten. För att komma vidare och kunna öka produktionshastigheten ytterligare måste varje steg utvärderas, modelleras och optimeras.
I ett samarbete med Lunds Tekniska Högskola ska hela TMP-processen byggas upp och simuleras i simuleringsprogrammet Aspen. Detta specifika arbete har innefattat konstruktion av en modell som beskriver kristallisationsprocessen, ett delsteg i TMP-processen. Syftet med kristallisationssteget är att bilda kristaller av natriumformiat, en bi-produkt vid TMP-tillverkningen. Natriumformiat-kristallerna separeras sedan från TMP-lösningen genom centrifugering. Kristallisationsmodellen ska implementeras i Aspen tillsammans med övriga delsteg i processen. Detta ger en förståelse för varje delsteg i processen och på så sätt kan produktionskapaciteten ökas.
Den konstruerade kristallisationsmodellen bygger på en populationsbalans, vilken ofta används för att beskriva system bestående av partiklar. För att kunna lösa populationsbalansen måste en förenkling göras. Förenklingen innebär att kristallerna delas in i olika klasser med avseende på storlek. Då erhålls ett antal Ordinära Differentialekvationer (ODE) som beskriver storleksfördelningen hos kristallerna. Detta gör att modellen går att lösa. Modellen inkluderar tre fenomen som sker under en kristalliseringsprocess: bildning av kristallkärnor, tillväxt av kristaller och agglomeration, som betyder att vissa kristaller slås ihop och bildar större kristaller.
Modellen har byggts upp och simulerats i Scilab 5.5.2, vilket är ett gratisprogram som kan användas till numeriska beräkningar. Modellen innehåller ett antal variabler vars värde är okänt och svåra att bestämma. Genom att kalibrera modellen mot mätdata från fabriken med hjälp av en inbyggd optimeringsmetod i Scilab kan värde på dessa parametrar skattas.
Resultatet, volymdistributionen av kristaller med avseende på storlek, har ett normalfördelat utseende. Jämfört med mätdata från fabriken ger modellen för få små kristallerna medan antalet av de större kristallerna är för högt. Modellens storleksfördelning är inte heller tillräckligt bred jämfört med mätdata. Det har undersökts hur de olika kristallisationsfenomenen påverkar resultatet och fördelningen. Fördelningen kan förskjutas i höger- och vänsterled (fler stora kristaller eller fler små kristaller) men bredden på fördelningen kan inte ändras nämnvärt. Slutsatsen är att den konstruerade modellen avviker från storleksfördelningen erhållen från experimentella försök. Möjliga orsaker till detta är att modellen inte beskriver sönderdelning av kristaller, ett fenomen som sker under kristallisationsprocessen. Detta resulterar i fler små kristaller, färre stora och en bredare fördelning. En annan möjlig orsak är att kristaller går sönder under analys av provet från kristallisatorn. Detta skulle betyda att mätdata ger fler små kristaller än vad som egentligen finns i kristallisatorn. Agglomerat som bildats från att kristaller slagits samman kan vara svaga och starka. Det finns en stor risk att svaga agglomerat inte håller samman under provanalysen och sönderdelas till mindre kristaller. För att öka modellens tillförlitlighet måste den förfinas samtidigt som mer mätdata måste samlas in. Dagens modell ger dock en indikation på kristallernas storleksfördelning.

• author: Danielsson, Sarah
• supervisor: Mikael Nolin
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: KETM05 20181
• year: 2018
• type: H1 - Master's Degree (One Year)
• subject: Chemistry; Technology and Engineering
• keywords: crystallization, kristallisation, modellering, scilab, chemical engineering, kemiteknik
• language: Swedish
• id: 8938293
• date added to LUP: 2018-05-15 13:03:58
• date last changed: 2018-05-15 13:03:58