Advanced

Dynamic Simulation and Analysis of Upsets in High-Pressure Hydroprocessing

Risinger, Hjalmar LU (2015) KET920 20141
Department of Chemistry
Chemical Engineering
Abstract
A dynamic simulation of the reactor loop of a standard hydrotreater was created in the software Dynsim by Invensys. Using simulations on the same plant from ProII, a steady-state process simulator, for adaption a good level of accuracy at steady state could be achieved and a heatwave simulation could be examined and investigated. The core to have a reliable outcome of the heatwave simulation in terms of bed drainage was to put up a model for liquid holdup in the reactor beds adjusted for the high pressure prevailing in hydrotreaters. This was accomplished using Turpin and Huntington’s model for liquid saturation for two-component concurrent flow in packed beds and data from experiments made by Al-Dahhan and Dudukovic for high-pressure... (More)
A dynamic simulation of the reactor loop of a standard hydrotreater was created in the software Dynsim by Invensys. Using simulations on the same plant from ProII, a steady-state process simulator, for adaption a good level of accuracy at steady state could be achieved and a heatwave simulation could be examined and investigated. The core to have a reliable outcome of the heatwave simulation in terms of bed drainage was to put up a model for liquid holdup in the reactor beds adjusted for the high pressure prevailing in hydrotreaters. This was accomplished using Turpin and Huntington’s model for liquid saturation for two-component concurrent flow in packed beds and data from experiments made by Al-Dahhan and Dudukovic for high-pressure trickle-bed reactors.

The heatwave simulation showed a peak temperature of 324 °C reached within 3 minutes for start of run condition. For end of run conditions the peak temperature settled at 317 °C after 2 minutes. Compared to the current material design which is calculated for a peak temperature of 390 °C there is room for a cheaper alternative in the case of steel selection for important downstream units, mainly the air cooler. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Elavbrott på ett oljeraffinaderi kan inte uteslutas, kan vi förutspå vilken inverkan det skulle få?

Över livstiden av ett oljeraffinaderi är det till och med troligt at dess elektriskt drivna pumpar havererar minst en gång. Det orsakar en våg av varm olja som färdas genom fabrikens rör och enheter. Med hänsyn till att processen redan utförs vid flera hundra grader Celsius, vilken temperaturökning kan vi förvänta oss vid ett sådant scenario?

I tider då nya teknologier möjliggör effektiv utbrytning av skifferolja är det sannolikt att industrin för att behandla petroleum kommer att leva vidare bortom de närmsta årtiondena. En anledning till att förbättring av oljeraffinaderiers design fortsätter att vara högst relevant. I detta projekt... (More)
Elavbrott på ett oljeraffinaderi kan inte uteslutas, kan vi förutspå vilken inverkan det skulle få?

Över livstiden av ett oljeraffinaderi är det till och med troligt at dess elektriskt drivna pumpar havererar minst en gång. Det orsakar en våg av varm olja som färdas genom fabrikens rör och enheter. Med hänsyn till att processen redan utförs vid flera hundra grader Celsius, vilken temperaturökning kan vi förvänta oss vid ett sådant scenario?

I tider då nya teknologier möjliggör effektiv utbrytning av skifferolja är det sannolikt att industrin för att behandla petroleum kommer att leva vidare bortom de närmsta årtiondena. En anledning till att förbättring av oljeraffinaderiers design fortsätter att vara högst relevant. I detta projekt används datorhjälp för att ge motiv för konstruktionsändringar som avsevärt kan bespara både investeringskostnader och miljön.

Huvudsakligen visar detta projekt att en exakt processimulering av inre kärnan på ett oljeraffinaderi kan skapas med hjälp av mjukvaran DYNSIM. Vad som är speciellt här är att simuleringen är dynamisk, på så sätt att alla intressanta värden som massflöden, temperaturer och tryck exempelvis kan mätas vid varje tidpunkt och för övrigt även i alla utrymmen i processen.
Vidare antyder detta projekts simuleringar att när en pump kraschar i den undersökta fabriken kommer den högsta temperaturökningen inträffa efter tre minuter och vara 44 °C, vilket är mindre än hälften av den temperaturökning anläggningen är designad för, 110 °C. Följaktligen lämnar detta utrymme för ett nytt val av konstruktionsmateral med lättare krav på dess prestanda. Eftersom vi pratar metallenheter of oerhörda storlekar kan stora ansträngingar på både budget och miljö skonas.

För att komma till denna punkt fanns det några hinder att övervinna. Särskilt beskrivningen av kvarhållen vätska, alltså vätska kvarhållen mellan katalysatorerna i reaktorn på grund av viskositet och ytspännning som överskrider krafterna av friktion från den gas som passerar reaktorn samt vätskans egen tyngd. Att förstå hur vätska kvarhålls är avgörande för att förutspå vilket vätskeflöde ut ur reaktorn som kan förväntas och detta flöde är också ansett att ha störst inverkan på temperaturökningen vid ett pumphaveri i och med den stora värmekapacitet som vätskan besitter.

De utvecklade relationer som beskriver hur vätska kvarhålls i dessa reaktorer, cylindriska reaktorer packade med porösa partiklar där en ett mixat flöde av vätska och gas leds genom uppifrån och ner, baseras på experiment vid atmosfärstryck. Men eftersom processen för att behandla olja med vätgas drivs vid mycket högre tryck är sambanden inte helt överförbara. Hur som helst, genom att kombinera resultat från experiment utförda med denna typ av reaktor vid högt tryck i labbskala med driftdata från olika typer av oljeraffinaderianläggningar med jämförbara massflöden var det möjligt att anpassa dessa samband för att nå en trovärdig beskrivning av kvarhållen vätska i reaktorn.

För att summera kan detta arbete tjänas som ett exempel för skapande av dynamiska simuleringmodeller för nya raffinaderianläggninar i syfte att förutsäga effekterna av ett pumphaveri eller till och med en fabriksuppstart. Speciellt vid driftsförhållanden för ett typiskt oljeraffinaderi kan sambandet för hur vätska kvarhålls i en reaktor användas i sådana modeller för att precist räkna ut det i sammanhanget viktiga vätskeflödet ur reaktorn. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Risinger, Hjalmar LU
supervisor
organization
course
KET920 20141
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
kemiteknik, chemical engineering, bioteknik, biotechnology
language
English
id
5038477
date added to LUP
2015-02-05 15:54:08
date last changed
2015-02-05 15:54:08
@misc{5038477,
  abstract     = {A dynamic simulation of the reactor loop of a standard hydrotreater was created in the software Dynsim by Invensys. Using simulations on the same plant from ProII, a steady-state process simulator, for adaption a good level of accuracy at steady state could be achieved and a heatwave simulation could be examined and investigated. The core to have a reliable outcome of the heatwave simulation in terms of bed drainage was to put up a model for liquid holdup in the reactor beds adjusted for the high pressure prevailing in hydrotreaters. This was accomplished using Turpin and Huntington’s model for liquid saturation for two-component concurrent flow in packed beds and data from experiments made by Al-Dahhan and Dudukovic for high-pressure trickle-bed reactors.

The heatwave simulation showed a peak temperature of 324 °C reached within 3 minutes for start of run condition. For end of run conditions the peak temperature settled at 317 °C after 2 minutes. Compared to the current material design which is calculated for a peak temperature of 390 °C there is room for a cheaper alternative in the case of steel selection for important downstream units, mainly the air cooler.},
  author       = {Risinger, Hjalmar},
  keyword      = {kemiteknik,chemical engineering,bioteknik,biotechnology},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Dynamic Simulation and Analysis of Upsets in High-Pressure Hydroprocessing},
  year         = {2015},
}