Modelling and Validation of a Turbocharged FORMOX Plant in Aspen Plus

Abstract

In the modern chemical industry heat and energy integration is crucial for optimizing process efficiency and increasing economic viability and environmental sustainability. By strategically recovering and reusing heat and energy within the plant, industries can significantly decrease their reliance on external energy sources, leading to costs saving and a smaller carbon footprint.

One of the latest sustainability improvements to the FORMOX process is the addition of a turbocharger, which significantly reduces the power consumption of the process by recovering energy from the exhaust gases in a turbine. The turbocharger currently relies on a variable geometry, limiting the number of viable suppliers and incurring additional costs. This master’s thesis investigates the feasibility of using a fixed geometry turbocharger in the FORMOX process.

A model was developed in Aspen Plus in accordance with a real plant with the pressure drop being modelled in the entire process. The model was validated with data from the plant before being used to examine the possibility of using a fixed turbine geometry. To make the new operation feasible a portion of the compressor discharge flow could be bypassed directly to the turbine inlet. Additionally, a portion of the turbine inlet flow could bypass the turbine through a wastegate. The results demonstrated that the new operation was feasible. However, the new operation led to significantly decreased steam production and increased power requirements of the fans, resulting in substantially increased direct variable costs. In the most favorable case, the direct vaiable costs are increased by €175,000 per year, as such the new operation was deemed to be economically infeasible.

The model could be further improved by incorporating additional user subroutines to more accurately model the pressure drop in the process. Additionally, a dynamic pressure-driven simulation is required to study the transient behavior and stability of the new operation.

Popular Abstract (Swedish)

I den moderna kemiska industrin är effektivt energiutnyttjande avgörande för ekonomisk bärkraft och miljömässig hållbarhet. Värme- och energiintegrering har en avgörande roll i att optimera kemiska processer och kan minimera energislöseri samt minska bränsleförbrukningen och utsläppen av växthusgaser. Detta genom att strategiskt återanvända värme och energi som frigörs i andra delar av processen.

Företaget Johnson Matthey FORMOX AB designar fabriker som producerar formalin. En av de senaste hållbarhetsförbättringarna i deras process är att använda en turboladdare. En turboladdare används ofta i bilmotorer och består av en kompressor och en turbin som är sammanlänkade av en gemensam axel. Turbinen återanvänder energin i avgaserna, som annars hade gått till spillo, för att driva kompressorn. Turbinen i turboladdaren som används i FORMOX processen har en varierbar geometri. Inuti turbinen finns det flera blad och genom att ändra vinkeln på dessa blad kan turbinens geometri ändras. Om man minskar vinkeln på bladen blir det mer trångt och avgaserna behöver trycka hårdare för att komma igenom, lite som att hålla för en trädgårdsslang med sitt finger. Således kan man få ut mer kraft i turbinen. I den här studien undersöks det om man i stället kan använda en turbin som har en fast geometri. En turbin med fast geometri är billigare samt har färre rörliga delar, så att risken att något går i sönder är lägre.

För att undersöka detta har en hel fabrik konstruerats i datorprogrammet Aspen Plus. Modellen efterlik- nar en riktigt fabrik och tryckfallen i hela processen har modellerats. Modellen har validerats mot data från den riktiga fabriken och resultaten stämmer väl överens med den verkliga fabriken. För att istället kunna använda en turbin med en fast geometri används två ventiler, en bypassventil och en wastegate ventil. Bypassventilen sitter vid kompressor utloppet och kan skicka lite flöde direkt från kompressor utloppet till turbin inloppet som därmed förbigår hela process. Wastegate ventilen sitter vid turbininloppet och kan tillåta lite av flödet att kringgå turbinen. Simuleringarna visar att det är möjligt att köra processen på detta nya sätt med en turbin som har en fast geometri. Men tyvärr behöver man tillföra mycket mer elektricitet och man förlorar mycket ångproduktion om man kör processen på det nya sättet. Därmed anses det inte vara ekonomiskt genomförbart att använda en turbin med fast geometri i FORMOX processen.

Modellen har flera förbättringsmöjligheter. Egna användarrutiner hade kunnat användas för att mer noggrant modellera tryckfallen i vissa enheter i processen. Modellen hade även kunnat vidareutvecklas i Aspen Dynamics för att undersöka stabiliteten och hur man ska reglera det nya driftsättet.

• author: Elofsson, Filip
• supervisor: Ola Wallberg; Michel Bellais
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: KETM05 20251
• year: 2025
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Chemistry
• keywords: Turbocharger, Aspen Plus, Simulation, Process modelling, FORMOX process, Chemical engineering
• language: English
• id: 9204360
• date added to LUP: 2025-06-23 15:33:28
• date last changed: 2025-06-23 15:33:28