Advanced

Reaktionsstudie vid Perstorp AB:s befintliga TMP process

Améen, Gustav LU and Essunger, Tobias (2017) KET920 20171
Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
Abstract
The production of TMP (Trimethylolpropane) is important for many applications, and is used as alkyds in paint and lubricants among others. The reactions producing TMP consist of two major reaction chains, Aldol condensation and Cannizzaro reaction. To get a deeper understanding and improve the running conditions the kinetic expressions for the reactions were examined. The aim of this paper was to produce kinetic data that would not deviate more than 10 % from the experimental values. In addition, an optimization over the reactor was made to find the best operational conditions based on the kinetic expressions. A system of reaction rates was constructed using a modified Arrhenius equation with an added reference temperature. To calibrate... (More)
The production of TMP (Trimethylolpropane) is important for many applications, and is used as alkyds in paint and lubricants among others. The reactions producing TMP consist of two major reaction chains, Aldol condensation and Cannizzaro reaction. To get a deeper understanding and improve the running conditions the kinetic expressions for the reactions were examined. The aim of this paper was to produce kinetic data that would not deviate more than 10 % from the experimental values. In addition, an optimization over the reactor was made to find the best operational conditions based on the kinetic expressions. A system of reaction rates was constructed using a modified Arrhenius equation with an added reference temperature. To calibrate the model several experiments were used together with a single objective differential evolution algorithm. By running several calibrations with different conditions the best weighing and minimization unit were established. The result had a deviation of almost 15 % for TMP and around 20 % for Di-TMP (Di-Trimethylolpropane) while the other substances produced a higher deviation. The result did not fully meet the requirements but the deviation between TMP in the model and experimental data was no greater than 20 percent which was deemed acceptable. The optimization of the reactor showed that the productivity, per the approximated reaction parameters, could be increased by decreasing the batch time whilst still maintaining a high yield. Furthermore, a purer product could be produced, with a small productivity loss, if the temperatures over the reactor was decreased from 50 to about 30 degrees C. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
TMP, kort för Trimetylolpropan, är en kemisk komponent som används som byggsten för alkydproduktion inom färgindustri samt som komponent i syntetiska smörjmedel. Perstorp har under drygt 50 år producerat TMP för vidare försäljning till andra kemiska industrier. Under denna period har produktionskapaciteten ökat många gånger om. Denna produktivitetsökning har kommit som följd av ett ”trial and error” förfarande där olika driftsparametrar undersökts för att öka effektiviteten i reaktorn. Processen är nu så pass förfinad att det blivit allt svårare att förbättra produktiviteten genom att testa sig fram. Angreppssättet som testats i detta arbete är att istället sätta ihop en reaktionskinetisk modell som beskriver storleken på alla väsentliga... (More)
TMP, kort för Trimetylolpropan, är en kemisk komponent som används som byggsten för alkydproduktion inom färgindustri samt som komponent i syntetiska smörjmedel. Perstorp har under drygt 50 år producerat TMP för vidare försäljning till andra kemiska industrier. Under denna period har produktionskapaciteten ökat många gånger om. Denna produktivitetsökning har kommit som följd av ett ”trial and error” förfarande där olika driftsparametrar undersökts för att öka effektiviteten i reaktorn. Processen är nu så pass förfinad att det blivit allt svårare att förbättra produktiviteten genom att testa sig fram. Angreppssättet som testats i detta arbete är att istället sätta ihop en reaktionskinetisk modell som beskriver storleken på alla väsentliga reaktionshastigheter i reaktorn som funktion av driftsförhållandena.
TMP-reaktorn består av ett komplicerat nätverk av olika reaktioner som i modellen beskrivs via Arrhenius ekvationer och första ordningens beroende av reaktant koncentrationerna för var reaktion. Systemet sattes upp så att det kunde köras med en Ordinary Differential Equation (ODE) lösare i SCILAB (ett beräkningsprogram som påminner mycket om MATLAB). Modellen resulterade i ett system där 28 okända parametrar var tvungna att skattas. Då data sparats från olika experiment som testat TMP-utbytet vid olika driftparametrar kunde systemet kalibreras mot dessa. Olyckligtvis var de tidigare experimenten inte konstruerade för att undersöka kinetik och således var i de flesta fall endast data från jämviktslägena sparade.
Kalibreringen skedde med en Differential Evolutions (DE) algoritm som medhjälp av ett evolutionssystem med ”naturligt urval” och kombinationer av tidigare gissningar söker sig mot systemets optimala lösningar. De skattade parametervärdena kunde sedan förutspå TMP produktionen vid experiment som inte använts i kalibreringen med en precision på ±20%. Biprodukterna från reaktorn erhöll en mycket större procentuell avvikelse vilket påvisar att det finns svagheter i den kalibrerade modellen samt möjligtvis i de uppmätta koncentrationerna mot vilken kalibreringen skett.
Den resulterande optimeringen visar på att det mycket väl kan vara så att den nuvarande processen kan erhålla större utbyte av TMP genom att sänka reaktorstemperaturen utan att förlänga reaktionstiderna. Tvärt om visar modellen på att den tid inom vilken reaktionsjämvikt inställt sig är betydligt kortare än vad idag används vid fabriken som batchtid för reaktorn. Vidare konstateras att modellering av reaktorn innebär ett stort steg framåt i förståelse för hur man på bästa sätt bedriver TMP-syntesen och att experiment som utformas för att bättre undersöka reaktionskinetiken borde utföras för att på bästa sätt skatta reaktionskonstanter. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Améen, Gustav LU and Essunger, Tobias
supervisor
organization
course
KET920 20171
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
reactor modelling, TMP, kinetics, Tri-methylol-propane, chemical engineering, kemiteknik
language
Swedish
id
8905957
date added to LUP
2017-04-25 13:19:25
date last changed
2017-04-25 13:19:25
@misc{8905957,
  abstract     = {The production of TMP (Trimethylolpropane) is important for many applications, and is used as alkyds in paint and lubricants among others. The reactions producing TMP consist of two major reaction chains, Aldol condensation and Cannizzaro reaction. To get a deeper understanding and improve the running conditions the kinetic expressions for the reactions were examined. The aim of this paper was to produce kinetic data that would not deviate more than 10 % from the experimental values. In addition, an optimization over the reactor was made to find the best operational conditions based on the kinetic expressions. A system of reaction rates was constructed using a modified Arrhenius equation with an added reference temperature. To calibrate the model several experiments were used together with a single objective differential evolution algorithm. By running several calibrations with different conditions the best weighing and minimization unit were established. The result had a deviation of almost 15 % for TMP and around 20 % for Di-TMP (Di-Trimethylolpropane) while the other substances produced a higher deviation. The result did not fully meet the requirements but the deviation between TMP in the model and experimental data was no greater than 20 percent which was deemed acceptable. The optimization of the reactor showed that the productivity, per the approximated reaction parameters, could be increased by decreasing the batch time whilst still maintaining a high yield. Furthermore, a purer product could be produced, with a small productivity loss, if the temperatures over the reactor was decreased from 50 to about 30 degrees C.},
  author       = {Améen, Gustav and Essunger, Tobias},
  keyword      = {reactor modelling,TMP,kinetics,Tri-methylol-propane,chemical engineering,kemiteknik},
  language     = {swe},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Reaktionsstudie vid Perstorp AB:s befintliga TMP process},
  year         = {2017},
}