Hoge temperatuur procesgasontzwaveling door een regeneratief adsorptieproces

0

,

o

e.

o

14, . . . ===tt"t" ;

"""L

i~i

'

TU Delft

Technische Universiteit Delft

Vakgroep Chemische Procestechnologie

Verslag behorende bij het fabrieksvoorontwerp

van

onderwerp:

HOjlL

b.mptAl:uu.r

prtta

SB"

oS

on

éZWA

ve..I

(~

door

.u.

t'\

n5~

VJL.ra.b:e.f

adsQrpt:c.e.prDGI!..S

adres:

'1M1f.

fvt.rl:~

JAa,J1

'''11>

262.8,

xz

'Delf.t:

opdrachtdatum:

okt

.,~S,

V14ht(

,,~.sb"~t

l.(D C'l

U"

K)(

~I.fé...

,

.

verslagdatum:

Jc:ln,

l~j

I

, '

1 Inhoudsopgave 1. Inhoudsopgave 2. Samenvatting 3. Conclusies en aanbevelingen. 4. Inleiding . . . . pagina 1

3

4

5

5. Uitgangspunten voor het ontwerp. . . . . 7

5.1 Grond- en hulpstoffen. . . . . 7

5.2 Eisen aan het proces. . . . . 8

5.3 Afvalstromen... . . . 8

5.4 Eigenschappen van de gebruikte stoffen. 9 5.5 Eisen aan het constructiemateriaal . 5.5.1 Corrosie . . . . 6. Beschrijving van het proces. 10 10 11 7. Procescondities . . . . . 14 7.1 De acceptor. . . . . 14 7.2 Thermodynamica . . . 15

8. Motivering apparatuur keuze en berekening. . . . . 1 6 8.1 De synthesegasstroom . . . . , 1 6 8.2 Acceptatie en regeneratie. . . . 16 8.3 Concentratiefluctuaties . . . . . 18 8.4 Regeneratiestroombehandeling . 8.4.1 De warmtewisselaars. 8.4.2 De stripper . . . . . 8.5 Procesregeling . 8.6 Flexibiliteit . . . . 9. De massa- en warmtebalans . 19 20 20 21 22

23

10.

Specificatiebladen en apparaatlijsten . 24 1 1 . Economische aspecten. . . . 11 .1 De investeringen. . . .

25

25

26

11.1.1 Investeringen volgens Zevnik-Buchanan .

11.1.2 Investeringen volgens Taylor. . . 27

11.1.3 Investeringen volgens Lang. . . 28

11 .1.4 Vergelijking van de verschillende methoden. . . 30

11.2 De semi-variabele kosten. . . . . 30

11.3 De variabele kosten. . . . 31

11.4 De indirekte kosten. . . 32

11.5 De kosten van het proces. . . 32

11.6 Kostenvergelijking met een andere ontzwavelingsmethode. . . 33

12. Literatuur. . . 34

13. Symbolenlijst . 36 Bijlagen . . . .

39

1. Chemiekaarten . . . 39

2. Specificatie r-alumina. . . 40

3. Berekening volume acceptatiebedden . 41 4. Stromingspatroon in de bedden. . 42

5. Verwerking van de spoelstromen . 43 6. Berekening van de drukval . 44 7. De drukval over de bedden. . . . 46

8. De buffervaten . . . . . 47

9. Toelichting op de massabalans . . . . . 48

10. Berekening stripper. . . 51

11 . Grootte van de benodigde utilities. . . . . 56

12. Berekening van de compressie kosten . 57 13. Chemcad uitdraaien. 58 14. Specificatiebladen . . . 63

15. Apparaatlijsten . . . 68

2 Samenvatting

In dit fabrieksvoorontwerp wordt een H₂S-bevattende synthesegasstroom ontzwaveld bij hoge temperatuur (600°C). Dit gebeurt in acceptorbedden van mangaanoxide op geactiveerd r-alumina, die het H₂S selectief adsorberen. De concentratie H2S in de

behandelde gasstroom is lager dan

10

ppmv.

Deze ontzwavelingsinstallatie vormt een onderdeel van een met kolen gestookte stoom en gas turbine (STEG) elektriciteitscentrale met een vermogen van 600 MW._I en een rendement van 40

%.

In een kolenvergasser wordt met behulp van zuurstof bij hoge temperatuur en druk

(1500

oe

en

30

bar) kolen omgezet in synthesegas. Na warmte-terugwinning in een synthesegaskoeler en ontstoffing worden de zwavelhoudende componenten (H₂S en COS) verwijderd. Het schone synthesegas wordt, tesamen met de

~.-- .-

.~~---in de synthesegas koeler opgewekte stoom, gebruikt om de STEG turbine aan te drijven.

---

-

-De algemene opzet van de ontzwaveling is als volgt: de acceptatie vindt plaats in 2 parallel

.~)

geschakelde vaste bedden, terwijl een derde reactor telkens een regeneratie doorloopt die '0

half zo lang duurt. Het regeneren gebeurt met oververhitte stoom, verdund met inert gas. :,.,~ ... ~

,-\."\.~ ~~---In twee warmtewisselaars wordt een groot deel van

:

d:i{::

stoom gecondenseerd. De

overblijvende gasstroom wordt opgeslagen in een buffervat. De vloeistofstroom wordt door !>J"""V-, h,-u\ .

~

strippen van H2S ontdaan. Deze wordt geloosd. Het regeneratieprodukt wordt gedoseerd

aangeboden aan een Claus zwavelverwerkingsinstallatie. De jaarcapaciteit is 3326 kton synthesegas. Per uur wordt, bij vollast, 385 ton schoon synthesegas geproduceerd.

De investeringen voor het proces bedragen 34 miljoen gulden en de kosten van de ontzwaveling komen op 0.27 cent per kWh, of 0.42 cent per kilogram ontzwaveld synthesegas.

3 Conclusies en aanbevelingen

De kostprijs van het hoge temperatuur ontzwavelingsproces is 0.42 cent per kg schoon gas of 0.27 cent per kWh. De prijs van een kWh is 10 cent [25]. De orde van grootte van de prijs is dus aanvaardbaar, zeker in aanmerking genomen dat door de ontzwaveling de centrale op kolen gestookt kan worden, wat nu eenmaal goedkoper is. Ook kan het rendement van een STEG elektriciteitscentrale waarschijnlijk verhoogd worden door het behoud van de hoge temperatuur van de synthesegasstroom.

Een betrouwbare kostenvergelijking van het hoge temperatuur ontzwavelingsproces met een lage temperatuur ontzwavelingsproces kon niet gemaakt worden, omdat de kosten van de processen voornamelijk in de variabele kosten zitten (hulpstoffen en utilitiesl. welke voor het lage temperatuur proces niet bekend waren.

De variabele kosten van dit proces worden voornamelijk bepaald door de gebruikte gasstromen tijdens de regeneratie. De door de hoge temperatuur en druk (600

oe

en 30 bar) is de stoom duur, en de gebruikte stikstof komt wel gratis uit de bij de lucht-

_..

-~-scheidingsfabriek van de kolenvergasser, maar moet ook nog op temperatuur en druk gebraCht worden. Verbeteringen van het proces zouden het verkleinen van de rege-neratiestromen tot doel moeten hebben. Daarvoor zien wij een aantal mogelijkheden:

Een andere opzet van de regeneratie kiezen waarbij geregenereerd wordt met minder stoom of zonder verdunning met inert gas. Hiervoor is een goede kennis van de regeneratie noodzakelijk. Deze moet verworven worden.

Werken met een moving bed of een fluide bed in plaats van een vast bed. Voordeel hiervan is dat er helemaal niet meer gespoeld hoeft te worden. Nadeel is het moeilijker te modelleren proces.

De capaciteit van de acceptor verhogen. De acceptatietijd zal dan langer kunnen zijn met evengrote bedden en de relatieve grootte van de spoelstromen neemt af.

Een ander gebied waar verbeteringen mogelijk zijn is het aantal acceptatiebedden. Door te werken met een groter aantal (kleinere) bedden zou de totale regeneratiestroom veel constanter van samenstelling zijn. Dit heeft grote voordelen bij de verdere behandeling van deze regenaratiestroom, omdat buffervaten, wamtewisselaars e.d. dan allemaal kleiner kunnen worden uitgevoerd.

Voor een goed gefundeerd ontwerp zijn uitgebreidere gegevens over deactivering van de acceptor nodig. In dit ontwerp is uitgegaan van de stabiele capaciteit na een korte periode van deactivering. Het is echter niet waarschijnlijk dat de capaciteit constant zal blijven, zodat gegevens over de veroudering en levensduur nodig zijn.

4 Inleiding

In dit fabrieksvoorontwerp wordt een ontzwavelingsinstallatie beschreven die een 1 .4 vol% H2S-bevattende synthesegasstroom behandelt bij hoge temperatuur (600°C). Dit gebeurt

in acceptorbedden van mangaanoxide op geactiveerd r-alumina, die het H2S selectief

adsorberen. De ontzwavelingsinstallatie vormt een onderdeel van een kolenvergassings-installatie en een stoom en gas turbine (STEG) elektriciteitscentrale met een vermogen van 600 MW., en een rendement van 40 %. In de kolenvergasser wordt met behulp van zuurstof bij hoge temperatuur en druk (l 500 °C en 30 bar) kolen omgezet in synthesegas. Na warmteterugwinning in een synthesègaskoeler en ontstoffing worden de zwavel-houdende componenten (H2S en COS) verwijderd. Het schone synthesegas wordt, tesamen

met de in de synthesegas koeler opgewekte stoom, gebruikt om de STEG turbine aan te drijven. In een stoom en gascentrale wordt het hete afgas uit een gasturbine gebruikt om een stoomcyclus aan te drijven, wat een hoger rendement geeft dan een conventionele

---...

centrale. -~

Bij de vergassing van steenkool wordt de daarin aanwezige zwavel omgezet in H2S en

COS. Deze twee componenten moeten uit het gas verwijderd worden voordat het verder gebruikt kan worden. Op de TU Delft loopt een onderzoek dat gericht is op het ontwikkelen en testen van regenereerbare acceptoren, die kunnen worden gebruikt bij hoge tempera-turen (600 °Cl. De huidige methoden van ontzwaveling hebben namelijk als nadeel dat de te ontzwavelen gasstroom eerst gekoeld moet worden tot ca 50°C voordat ze behandeld wordt en daarna weer opgewarmd. Tijdens dit afkoelen wordt de warmte uit die gasstroom met behulp van warmtewisselaars gebruikt bij stoomproduktie, maar het is energetisch natuurlijk gunstiger als de ontzwaveling bij hogere temperatuur kan geschieden.

Het H2S wordt door mangaanoxide, aangebracht op een alumina drager, afgevangen. De acceptor wordt daarbij omgezet in MnS op alumina via de volgende reactie:

(1 )

Het is dus een uitwisselingsreactie, en de in de gasstroom aanwezige zwavelwaterstof zal uitgewisseld worden voor water. De acceptor is te regenereren door de teruggaande reactie te laten verlopen. Dit gebeurt door een overmaat stoom toe te voegen. De regeneratie verloopt zonder noemenswaardige temperatuurseffecten.

Bij dit fabrieksvoorontwerp wordt de bestaande kennis van het acceptatieproces gebruikt om een fabriek te ontwerpen waarin synthesegas ontzwaveld wordt. De daarbij ontstane volle acceptor bedden moeten op verantwoorde wijze worden geregenereerd en de daarbij ontstane regeneratie-gasstroom moet zodanig worden behandeld dat zij geschikt is voor verwerking in een Claus zwavelverwerkingsinstallatie, verder de Claus plant genoemd. Het

geheel wordt bekeken op economische haalbaarheid, eventueel in vergelijking met bestaande processen.

5 Uitgangspunten voor het ontwerp

5. 1 Grond- en hulpstoffen

De ontzwavelingsinstallatie wordt na een kolenvergasser geplaatst. De zwavel, die in de kool aanwezig is, wordt in de vergasser omgezet in H2S en COS. Er wordt gebruik gemaakt

van een Shell-type vergasser, met Illinois No. 6 kool. De Lower Heating Value van het gas is 11.3 MJ/m3 _{bij STP [1]. Het gas is stofvrij. De temperatuur ligt tussen 800 en 1000 °C}

en de druk is 30 bar. Voor het ontwerp is een gastemperatuur van 945°C gebruikt. De samenstelling van het gas is:

CO 64 vol-% H2 31.6 vol-% CO2 0.8 vol-% CH4 0 vol-% N2

+

Ar 0.7 vol-% H₂0 1.5 vol-O/O H2S

+

COS 1.4 vol-O/O

De acceptor is MnO met 8 gew% Mn op een T-alumina drager. Specificaties van het dragermateriaal zijn gegeven in bijlage 2.

De capaciteit van de acceptor is 15 g S/kg bed, bij atmosferische druk en 600°C. Recent is gebleken dat de capaciteit bij hogere druk groter wordt. In overleg met Dhr. Wakker [22] is daarom gerekend met een capaciteit van 20 g S/kg bed. Het is de verwachting dat de werkelijke capaciteit bij 30 bar zeker niet lager zal zijn.

Stikstof en waterstof worden gebruikt als inert spoelgas. De stikstof is afkomstig van de luchtscheidingsfabriek, die bij de kolenvergassingsinstallatie hoort. Waterstof moet worden gekocht. Het inert gas heeft een temperatuur van 20°C en een druk van 30 bar.

Ketelwater is nodig om te koelen en daarbij stoom te maken. Er wordt oververhitte HP stoom gemaakt die nodig is voor het regenereren. Verder wordt de regeneratiestroom gekoeld in verdampers, waar de overtallige warmte in LP en MP verzadigde stoom wordt omgezet. Wij zijn ervan uitgegaan dat het ketel water bij 20 ° C aangevoerd wordt. De fabriek kan van dezelfde utilities-installatie gebruik maken als de elektriciteitscentrale en de kolenvergassingsinstallatie .

5.2 Eisen aan het proces

De ontzwavelingsinstallatie moet geschikt zijn voor een elektriciteitscentrale met 600 MW elektrisch vermogen. Bij de berekening aan de omvang van de ingaande synthesegasstroom is aangenomen dat de centrale, inclusief de ontzwavelingsinstallatie, werkt met een rendement van 40 %. Dat is een vrij conservatieve schatting, in aanmerking genomen dat het een STEG elektriciteitscentale betreft. Er moet dus voor 1 500 MWth aan energie

toegevoegd worden in de synthesegasstroom.

Als eis aan het ontwerp was gesteld dat de acceptatie van H₂S zou gebeuren in drie vaste bedden. De temperatuur bij acceptatie is 600°C. De acceptatietijd is 10 minuten. De regeneratiestroom moet aan een Claus plant toegevoerd kunnen worden. Wij hebben gekozen voor de Split-flow Claus plant [281. waarvoor de minimum concentratie H2S in de

ingangsstroom 20 % is. De Claus plant ingangsstroom mag niet teveel water bevatten omdat water het evenwicht in de reaktie naar elementair zwavel nadelig beïnvloedt:

(2)

Als maximale waterconcentratie geldt een bovengrens van 5 % [2]. De concentraties in de invoerstroom moeten constant zijn om het mogelijk te maken de andere reactanten steeds in de juiste hoeveelheid toe te voeren. De opbrengst van de Claus plant wordt anders snel lager. De ingangstemperatuur is, binnen zekere grezen, niet belangrijk. De eerste stap van het Clausproces is namelijk partiële verbranding van H2S met lucht en daarbij stijgt de temperatuur tot boven de 800°C. De druk moet zo zijn dat er een drijvende kracht voor het proces is. Vaak kiest men 1.4 bar [31.

De gestripte H2S-bevattende waterstroom mag een H2S-concentratie van 5e-8 mol per liter

hebben. De H2S-bevattende gasstroom die de stripper verlaat kan naar het Clausproces

gevoerd worden. Hierbij moet er wel voor gezorgd worden dat de gecombineerde gasstroom vanuit de stripper en het buffervat een totale H₂0-concentratie bevat die niet hoger is dan 5 %, want dat is de bovengrens voor de Claus plant.

5.3 A fva/stromen

De stripper heeft een afvalstroom van heet water met weinig H2S. Deze stroom zou

eventueel gerecycled kunnen worden als ketelwater om regeneratiestoom op te wekken. Bij de HP (hoge druk: 30 bar) stoom opwekking wordt echter meer stoom opgewekt dan gebruikt wordt bij de regeneratie. Het restant wordt naar de elektriciteitscentrale geleid. In het afvalwater uit de stripper zitten echter nog sporen H2S die in dat geval in het

stoomcircuit van de elektriciteitscentrale terecht zouden komen. Daarom wordt de afvalstroom uit de stripper gekoeld tot 40°C en geloosd op het riool. Het koelwater dat

hiervoor gebruikt is heeft na gebruik een temperatuur van 40°C. Totaal is de koel-waterstroom 1740 kton per jaar.

,~\~,

Bij het koelen van de regeneratiestroom wordt MP (midden druk: 10 bar) en LP (lage druk: 3 bar) stoom opgewekt,

~

naar de elektriciteitscentrale geleid kan worden. Per jaar wordt netto 171 kton LP stoom en 370 kton MP stoom geproduceerd. Bovendien is er een rest stoom van 30 bar en 600°C die niet voor de regeneratie gebruikt wordt. Deze is 106 kton per jaar.

De gezuiverde H2S-bevattende stroom gaat naar de Claus plant. De totale zwaveluitstoot

hangt af van de kwaliteit van de afgaszuivering van de Claus plant. De H2S in het

afvalwater is slechts 20 gram per ton instromend H2S.

5.4 Eigenschappen van de gebruikte stoffen

H2S is een giftig gas. bij lage concentraties te herkennen aan de rotte-eieren lucht. Het

werken ermee is gevaarlijk. vooral omdat de specifieke lucht niet herkend wordt bij schadelijke concentraties. Dodelijke ongelukken zijn niet onmogelijk.

H2S is explosief met lucht tussen 4.3 en 46 %. Een lijst met eigenschappen van H2S is

gegeven als bijlage 1 . Bovendien worden in deze bijlage lijsten met eigenschappen van N2 •

H2 en CO gegeven.

Gegevens over de oplosbaarheid van H₂S in H₂

0

worden meestal verschaft in de vorm van Henry-coëfficiënten H. Met de wet van Henry.

p

=

H * x (3)

kan uit de partiaalspanning p van H2S de molfractie x in het water berekend worden. De

waarden voor H die de verschillende handboeken vermelden zijn vaak verschillend. De gebruikte waarden zijn overgenomen uit de International Critical Tables [61. waarbij is aangenomen dat de druk in mm Hg is vermeld. Deze waarden komen overeen met die in de Solubilities of Inorganic & Organic Compounds [7] en Chemiekaarten [bijlage ~'De waarde in Perry [8] wijkt af doordat de editor de errata in de International Critical Tables over het hoofd heeft gezien. Ullmanns [9]' waarde voor H is 500 maal kleiner dan de

.

-gebruikte waarde en die in het dictaat voor Fysische Scheidingsmethoden [10] is 25 maal kleiner.

Voor de H2S-bevattende waterstroom. die uit de stripper komt. is het nodig een toegestane

H2S-concentratie in afvalwater te kennen. Hiervoor bestaat geen vaste norm. Uitgaand van

de MAC-waarde voor H2S in gas hebben wij de norm als volgt bepaald: De MAC-waarde wordt door 20 gedeeld om tot de MIC-waarde te komen [111. en voor deze MIC-waarde wordt de bijbehorende vloeistofconcentratie berekend met de wet van Henry.

9

ó

G

)

5.5 Eisen aan het constructiemateriaal

5.5. 1

Corrosie

H₂S is een zuur, reducerend en daardoor corrosief gas. In een groot deel van de fabriek moeten materialen gebruikt worden die tegen H₂S bestand zijn. Uit tabel 23-2 [Perryj blijkt dat bijvoorbeeld roestvrij staal AISI 316, Hastalloy alloy of Incoloy 825 gebruikt kunnen worden. Uit economisch oogpunt is voor roestvrij staal AISI 316 gekozen. De enige delen van de fabriek die in principe niet met H₂S in aanraking komen, zijn de leiding naar de elektriciteitscentrale, de leidingen die de regeneratiegassen aanvoeren en de leidingen die ketelwater of stoom aanvoeren. Deze kunnen dus van een goedkoper materiaal vervaardigd worden.

I ' - '

- / '

.J

'-../'

6 Beschrijving van het proces

De in de procesbeschrijving genoemde apparaatnummers verwijzen naar de flowsheets van het proces. Deze flowsheets zijn opgenomen als pagina 12 en 13 van dit verslag.

De ontzwavelingseenheid is globaal als volgt opgezet: er zijn drie acceptatiekolommen, die zo geschakeld zijn dat er telkens twee reactoren accepteren (R4 en R5) en er een regenereert (R6). De acceptatietijd is 10 minuten en de regeneratietijd is 5 minuten. Voordat de synthesegasstroom de H₂S-acceptatiebedden ingaat is hij gekoeld tot 600°C (H2 en H3). De warmte is gebruikt om stoom te maken voor de regeneratie. Het water is van tevoren op druk gebracht (P1). De spoelstromen worden op temperatuur gebracht door verhitting in een fornuis (F7).

Tijdens de acceptatie wordt H₂S uit synthesegas afgevangen door een MnO/AI₂03 acceptor. Het H2S-vrije synthesegas wordt gebruikt in een elektriciteitscentrale. Tijdens de

regeneratie wordt de reactor 30 seconden gespoeld met inert gas, daarna 240 seconden geregenereerd met stoom verdund met inert gas, en daarna weer 30 seconden gespoeld met inert gas. De verkregen regeneratiestroom bestaat uit stikstof, waterstof, H₂S en stoom.

Vervolgens wordt de regeneratiestroom geschikt gemaakt voor de Claus plant. In twee warmtewisselaars (Ha en H9) wordt het grootste deel van de stoom gecondenseerd. Hierna komt de stroom in een gas/vloeistof scheider (V10). De gasstroom van stikstof, H₂

S,

weinig stoom en waterstof stroomt van hieruit naar een buffervat (V11). De vloeistofstroom van water met weinig H₂S gaat naar een stripper (T13). De gas/vloei-stofscheider dient ook als buffervat voor de vloeistof, zodat water met een constante H₂ S-concentratie naar de stipper gestuurd kan worden. In de stripper wordt de H₂S uit het water gestript, zodat het geloosd kan worden.

Uit het buffervat met daarin de gasstroom van de vorige regeneratie (V12) wordt een stroom met een vaste concentratie H₂S naar de Claus plant gestuurd. Het topprodukt van de stripper wordt ook naar de Claus plant gestuurd. Het bodemprodukt wordt gekoeld in een warmtewisselaar (H 14) en geloosd.

Ketelwator

----<--!

2

-[]QJ

(7)

-

--

O

PI

~

-

.

120

30

f

H2(

--·

1

tJ

6

)

J

7

~

Ö

H2S-bevottend S~thesegQs

~~----'

~~)

8

1_{600} 8} R5

~

O

t

Kelelwotcr Ketehwater ~p Stoom LP Stoom

H2S- vrij Synlhesegos noor EI ek lricileilscen trole

f

~

__

L

_··-

t

~

L

restant HP Stoom H -~---­

[§QQ

1

€~

--.-~---r~

.

...

-.---~ T13 --14 ffiOOI§

~r

- 1Xl---- -H~~~I Stikstof

~

G--[

-- --

----.-..

---~~·---·-l P 1 PUUP

H 2 SYNGASKOELER/OVERVERHlffiR H 3 SYNGASKOELER/STOOMGENERATOR

R • AOSORP~EBEO 1 (ACC) R 5 AOSORP~EBEO 2 (ACC)

- - - -+--" - • - - -

--

~t;

-

)4

l

~3

_ -

-d

600 - - - -- 29.5 F7

~

----~_._._-~-_._-_. -~.--

--R 6 AOSORP~EBEO 3 (REG) F 7 fORNUIS

H B KOELER/STOOM GENERATOR

H 9 CONOENSOR/STOOMGENERATOR

V 10 VLOEISTOf-GAS SCHEIDER

--- - - --- - _. ---VII V 12 T 13 H H BUFFERVAT 1 BUFFERVAT 2 H2S STRIPPER KOELER LP Stoom

---

.

lfG

----_.-.----_._---~

f

---.... ---

-

--~~ Vll

---H2S-rl)< gos naar Claus Plant

----1

\11

~

(

~

1

2

1 ~:

H2SjStoorn nuur Clous plont

--

--

-

-

-H14

~

G

--

-

A

Koelwater

--

.-

. Atvûl .. utar

ffij

e

-

----VERWIJDEREN SYN.GAS MET INERT

112S-IJf!votterllJ

I

SyTlthesegas ~)16ooI8

Stoom C.!O) --- -••• 4--i~_--1----{><I---_-1

~

~9j

naar warmtewisselaarsseclie

H2S-vrij Synthesegas

naar Elektriciteitscentrale

~---.---

-VERWIJDEREN STOOM MET INERT

H2S- bevattend Synthesegas 12~

t

ST

loom la

-

H

---

-600 29.5

t

naar warm tewisseloarssec t ie

H2S-vrij Synthesegas

naar Elektriciteitscentrole

-

r

5 - - ---_. __ ._-

-600

26.5

tobr Voorontwerp No 2819

PROCESSCHEMA VAN HOGE TEMPERATUUR

j

-H2S VERWIJDERING UIT SYNTHESEGAS

flow I,D

"

- - - -

- -inert flow stoom flow H S flow 2 _ 1 "-... "-_....

-.ZD stoom inert - - . _--.~2 H S 100

'--

240

'--

.

~

Figuur 1. Molstroom stoom, inert en H S naar warmtewisselaars.

2 I

I

tijd(s) L L

7 Procescondities

7. 1 De acceptor

Het H2S wordt met behulp van een mangaanoxide acceptor op alumina afgevangen. De

acceptor wordt daarbij omgezet in Mn5 op alumina via de volgende reactie:

(1)

Tijdens acceptatie is de belangrijkste reactie een snelle uitwisseling van het zuurstofatoom tegen het zwavelatoom, waardoor H20 geproduceerd wordt uit H2S. Een klein deel van het

H2S en ook van het H20 hecht zich door fysische adsorptie aan het oppervlak van de acceptor. Per mol H2S 'wordt één mol Mn gebruikt. De acceptor is te regenereren door de teruggaande reactie te laten verlopen. Dit gebeurt door een overmaat stoom toe te voegen. De capaciteit van de acceptor wordt negatief beïnvloed door de aanwezigheid van stoom, wat logisch is, omdat water en H₂5 immers concureren voor dezelfde acceptorplaatsen. In het proces wordt de capaciteitsverlaging door stoom echter opgeheven door de capaci-teitsverhogende werking van CO. Deze stof vormt nameijk met water H2 en CO 2 via de

bekende water-gas shift-reactie. De evenwichtsligging wordt hierdoor gunstig beïnvloed. Bij in gebruik name van de acceptor neemt de capaciteit aanvankelijk vrij snel af. Daarna stelt zich een vrij stabiele capaciteit in die ook gebruikt is bij de berekening van de bedgroottes. De oorzaak van de deactivering is sintering. Over de deactivering op de lange termijn is nog niet voldoende bekend, omdat laboratoriumexperimenten bijvoorbeeld 10 cycli per dag duren, terwijl in de fabriek 144 cycli per dag gedraaid worden. Bij dit ontwerp wordt uitgegaan van een acceptor die twee jaar bruikbaar is.

, Uit onderzoek is gebleken dat op laboratiriumschaal het massatransport door de deeltjes heen niet beperkend is. Er is dus geen sprake van enige diffusie limitatie die invloed zou hebben op de acceptatie- en regeneratiesnelheden. De gebruikte acceptorkorrels in dit proces zijn groter, maar omdat er geen gegevens zijn over deze deeltjesgrootte wordt er ook hier uitgegaan van geen diffussielimitering.

Door 50erawidjaja [1 2] is de uitwisseling van het H 25 tegen H 20 gemodelleerd. Omdat dit .).

model echter niet voldoet voor waterbevattende gassen is het niet gebruikt voor de

~

l,..IfÁ. I

acceptatieberekeningen. Een uitgebreider model beschrijft meer situaties goed, maar het vinden van de juiste parameters is nog zo problematisch dat het model niet door ons gebruikt kon worden. Bij de acceptatie is daarom uitgegaan van een momentane acceptatie, terwijl er bij de regeneratie, die met een tienvoudige overmaat gebeurt, een aanname voor de vrijkomende H₂S curve is gemaakt (zie figuur 1).

7.2 Thermodynamica

Reactie (1) verloopt zonder noemenswaardige temperatuurseffecten. Buysing en Zoet [131 hebben met behulp van de bekende relatie

dUnK) ClH

= --- (4)

de reactiewarmte ClH berekend. Zij hadden experimenteel al twee K-waarden bepaald. De gevonden reactiewarmte was circa 42 kj/mol.

Deze reactiewarmte geeft weinig verandering van de temperatuur in de reactor omdat de warmtecapaciteit van het alumina aanzienlijk is. Met een warmtecapaciteit van 29.0

cal/moloe voor de acceptor en een van 0.344 cal/moloe voor het synthesegas verandert de temperatuur van gas en reactor 12 oe bij acceptatie of regeneratie. In het ontwerp is deze temperatuursverandering buiten beschouwing gelaten, omdat het niet groot is.

-1

-ACCEPTATION

O~

____

~

____

~

______

~

____

~

o

50

100

- - -•• _ -

time (min)

Figuur 20 Acceptatiecurve H So 2

1

150

REGENERA TIQN

O~

_{__}

~~~±===~====L-

__

___

o

10

20

30

---1.--

time (min)

Figuur 30 Regeneratiecurve H So 2

40

L

~)

-'

8. Motivering apparatuurkeuze en berekening

8. 1

De syntesegasstroom

Om 600 MW elektrische energie op te wekken met een rendement van 40 % moet er 1500 MW thermische energie in de centrale toegevoerd worden. De Lower Heating Value (LHV) van het gas is 11.3 MJ/m3 _{bij STP (1). Met de ideale gaswet wordt dit omgerekend}

naar MJ/kmol. 1 m3 gas bevat 40.89 mol bij STP. Hieruit volgt dat de LHV van 11.3 MJ/m3 gelijk is aan 11.3/40.89 =0.276 MJ/mol, dat is dus 276 MJ/kmol. Om 1500 MW toe te voeren is dus 1500/276 = 5.43 kmol/s gas nodig. Het gemiddelde molgewicht van het gas is 19.67 gram. In kilogram wordt de te ontzwavelen gasstroom 5.43 * 19.67 *3600

= 385000 kg/hr, of 107 kg/s.

8.2 Acceptatie en regeneratie

Tijdens de acceptatie wordt het H₂S uit een synthesegasstroom verwijderd. Er zijn telkens twee vastbed reactoren die accepteren. Na 10 minuten is een bed met H2S beladen. Het

moet dan geregenereerd worden. Elke regeneratie duurt 5 minuten. Zo kan na 5 minuten het eerste bed, R4, geregenereerd worden. R5 is dan pas half beladen. R6 is net geregenereerd en kan accepteren. Na nog eens 5 minuten wordt R5 geregenereerd en accepteren R6 en R4. Voor de acceptatiereactoren bevindt zich een verdeler die de stroom in tweeën deelt. De regeneratie is uitgewerkt in deel twee van de flowsheet (blz 7).

Bij acceptatie en regeneratie is de doorbraakcurve van belang. Voorbeelden hiervan, gemeten in een proefopstelling [1 21 zijn gegeven als figuur 2 en 3. Bij het invoeren van h2s wordt het zuurstof atoom gebonden op de acceptor uitgewisseld met het zwavelatoom. Dit gebeurt het eerst aan de invoerzijde van het bed. Langzaam zal het met H2S beladen

gedeelte zich uitbreiden in de richting van de uitvoerzijde van het bed. Uiteindelijk stroomt een deel van het H2S aan de uitvoerzijde het bed weer uit; het bed is dan doorgebroken.

Bij de acceptatie is het echter niet de bedoeling dat het bed doorbreekt. De toevoer moet al gestopt zijn voordat dat zich dat voordoet. Bij regeneratie zal men willen stoppen tijdens of na de doorbraak om het stoomverbruik en de benodigde warmtewisselaars capaciteit te beperken. Na de doorbraak wordt het stoomverbruik per eenheid geregenereerde H2S

namelijk snel hoger.

Als een beladen bed geregenereerd moet worden is het nog gevuld met synthesegas. Voor economische redenen wordt dan eerst gespoeld om het synthesegas te verwijderen. Bovendien beïnvloedt synthesegas het Clausproces negatief: h9t CO in het synthesegas wordt verbrand tot CO₂ en reageert met de H₂S tot COS en CS₂ [131. Het spoelgas moet inert zijn en makkelijk verkrijgbaar. Stikstof, uit de luchtscheidingsfabriek voor de kolenver-gassing voldoet aan deze eisen. Er wordt 3 % H₂ aan toegevoegd om een reducerend milieu te creeëren, zodat er geen H₂S gaat ontleden in zwavel en waterstof.

---'

Het spoelen gebeurt met 1.5 reactorvolume gas. Er is berekend dat er bij goede benadering propstroom heerst in het bed (bijlage 3). Bij propstroom is er geen menging tussen de reactorinhoud en de stroom die binnenkomt. Eén reactorvolume is dan voldoende om de hele reactorinhoud te vernieuwen. Wij hebben 1.5 reactorvolume gekozen als spoelstroom-volume omdat propstroom goed benaderd wordt. Door de gekozen acceptatiebedden configuratie duurt de regeneratie 5 minuten. Hierbij hoort ook het spoelen. Het is belangrijk dat er niet te snel geregenereerd wordt. Daarom zijn er 4 van de 5 minuten besteed aan het regenereren zelf en twee maal een halve minuut aan het spoelen.

Er wordt geregenereerd met een met stikstof en waterstof verdunde stoomstroom. De snelheid van de regeneratie wordt niet beïnvloed door de mate van verdunning [14]. De verdunning verlaagt wel de dampspanning H2S na condensatie van het water, zodat een

groter gedeelte hiervan direct met het gas naar de Claus plant kan gaan. Een te hoge verdunning maakt het gas ongeschikt voor een rendabel Clausproces. De mate van verdunning is zo berekend, dat de H2S concentratie na condensatie van het water 20 %

is, zodat het Clausproces in Split-flow configuratie kan worden uitgevoerd.

Het is waarschijnlijk ook mogelijk om te regenereren met alleen stoom. In dit ontwerp is dat niet gedaan, omdat in het laboratorium ook met een verdunde stoomstroom werd gewerkt.

De regeneratie verloopt sneller bij gebruik van meer stoom. Er wordt dan ook overmaat stoom gebruikt om de regeneratie snel genoeg te laten verlopen. Bij het werken met de proefopstelling bleek dat het zinloos was met meer dan 20 maal teveel te regenereren. Wij zijn ervan uitgegaan dat de regeneratie al met 10 maal overmaat stoom snel genoeg verloopt, omdat de regeneratietijd en de verblijf tijd in de kolom zoveel hoger zijn dan op laboratoriumschaal. De verblijf tijd van onze stroom is namelijk ongeveer 20 maal zo groot als in het laboratorium en onze regeneratie duurt 800 maal zo lang. Omdat er van de regeneratie geen goed laboratoriumschaal model is en de condities zo afwijken, is het zinloos om een gedetailleerde berekening te maken. Er zal meer bekend moeten zijn over het regeneratiemechanisme voor een goed gefundeerd ontwerp.

In principe wordt geregenereerd tot 95 % H2S verwijdering. De reden hiervoor is dat het

verwijderen van de laatste 5 % onevenredig veel stoom kost [14]. Er wordt dan immers stoom door een vrijwel geheel geregenereerde reactor gevoerd.

Na de regeneratie moet gespoeld worden om de stoom te verwijderen. Stoom beïnvloedt de acceptatie negatief, omdat H2S en H20 beiden op de actieve plaatsen geaccepteerd

kunnen worden. Ook hier is gekozen voor 1.5 reactorvolume spoelstroom.

De stroomrichting van acceptatie, regeneratie en spoelen is niet steeds dezelfde. Het is beter om de regeneratie tegenstrooms ten opzichte van de acceptatie uit te voeren. De regeneratie begint dan aan de kant waar de acceptor niet verzadigd is. Het H2S dat wordt

regeneratie gaat in dezelfde richting als de regeneratiestroom zelf. De volgende acceptatie begint dan weer aan de andere kant van het bed, waar misschien nog H2S aanwezig is en

vrijkomt. Maar dit H2S zal het bed niet uitkomen, omdat het eerst nog helemaal door het

niet beladen gedeelte stromen moet. De spoel stroom na de acceptatie gaat in de richting van de svnthesegasstroom. Hierdoor wordt eventuele niet geaccepteerde H2S nog langs

onbeladen acceptor geleid.

De spoelstroom na acceptatie bevat svnthesegas en stikstof. Hij wordt met de stroom naar de elektriciteitscentrale meegestuurd (bijlage 4). De spoelstroom na regeneratie bevat stoom en stikstof. Hij wordt met de regeneratiestroom meegestuurd naar de Claus plant.

In tabel 1 wordt een overzicht gegeven van de aard en de bestemming van de stroom uit tijdens de verschillende stappen.

Tabel 1 Tijdsschema van de H₂S-verwijdering

I

T;jd'

I1

Handel;ng

I

Stroom uit:

I

Bestemming:

I

0-30 seconden Spoelen met inert; 1 volume svngas processtroom naar meestroom 0.5 volume inert centrale

30-270 seconden Regeneratie met 1 volume inert naar warmtewisselaar stoom (en inert);

meestroom

270-300 seconden Spoelen met inert; 1 volume stoom met naar warmtewisselaar tegenstroom H2S en inert;

H₂S concentratie piek

300-900 seconden Acceptatie; 1 volume inert processtroom naar meestroom ontzwaveld svn.gas centrale

8.3 Concentratiefluctuaties

De grootte en de samenstelling van de stroom naar de warmtewisselaars verandert tijdens de regeneratie. De concentraties en volumestromen van de verschillende componenten worden weergegeven in figuur 1. De hier onderstaande tabel is bedoeld als toelichting.

Tabel 2 De samenstelling van de stromen naar de warmtewisselaars

I

Tijd:

I1

I

0-30 seconden Geen flow, de spoelstroom, die synthesegas bevat, wordt gebruikt in de elektriciteitscentrale.

20-42.5 seconden Regeneratie; de reactor is nog gevuld met inert gas. Dit wordt uit de reactor gespoeld. Het debiet is gelijk aan het regeneratiedebiet. De verblijhijd van een reactorvolume is dan 12.5 s.

42.5-270 s Regeneratie; de H₂S concentratie vertoont een piek die ruwweg de vorm heeft van een driehoek (141. De hoogte van de piekconcentratie is benaderd door de hoogte van de driehoek te berekenen. De piek-concentratie bedraagt 16.6 mol% H2S.

270-290 s Spoelen; de reactor is nog gevuld met regeneratiemengsel. Dit wordt met het spoel gas uitgespoeld.

290-300 Spoelen; het reactorvolume regeneratiemengsel is uitgespoeld. Uit de reactor stroomt nu spoelgas.

8.4 Regeneratiestroombehandeling

De stroom die naar de Claus plant gaat moet nog een aantal bewerkingen ondergaan voor hij hier geschikt voor is:

De stroom bevat teveel water. Hij moet door condenseren watervrij gemaakt worden tot maximaal 5

%.

De stroom heeft geen constante samenstelling, wat een vereiste is voor het Claus-proces. De stroom moet dus worden opgeslagen in een buffervat voordat hij naar de Claus plant gestuurd wordt.

Het is voordelig om het regeneratiegas bij hoge druk op te slaan zodat het volume van het buffervat beperkt kan blijven. Dit wordt dan ook gedaan.

Het uitcondenseren van het water kan zowel voor als na het opslaan in een buffervat gebeuren. Als er eerst gecondenseerd wordt, hoeft het buffervat niet zo groot te zijn, want de 65 % water die de regeneratiestroom bevatte is er dan al grotendeels uit verwijderd. Het voordeel van condenseren na opslag is dat er een continue stroom door de warmte-wisselaars gaat, en dat deze dan ook kleiner uitgevoerd kunnen worden. Het blijkt echter (zie bijlage 8) dat er bij opslag van het totale regeneratieprodukt irreeël grote buffervaten nodig zijn. Daarom wordt inderdaad gekozen voor eerst condenseren, daarna opslaan. Het condenseren gebeurt in twee warmtewisselaars. De stroom hieruit wordt in een gas/-vloeistofscheider geleid. Vanuit dit vat stroomt het gas naar de buffervaten en de vloeistof naar de stripper. De gas/vloeistofscheider fungeert ook als een buffervat: het volume van

dit scheidingsvat is zo gekozen dat er een constante concentratie H2S in de stroom naar

de stripper zit.

Het water dat uit het regeneratiegas gecondenseerd is bevat nog zoveel H2

S

dat het

gestript moet worden; dat kan gedaan worden met stoom [15]. Het op deze manier gezuiverde water wordt nog verder gekoeld in een warmtewisselaar (H14) en dan geloosd.

8.4.1 De warmtewisselaars

Het dimensioneren van de warmtewisselaars is gebeurd met het door Chemcad berekende vermogen (zie bijlage 14). Bij de berekening van het geschatte oppervlak zijn de gemiddelde warmteoverdrachtscoëfficiënten uit [1 6] aangehouden:

H2, gas-gas H3, gas-vloeistof, V H8, gas-vloeistof, V H9, gas-vloeistof, C

&

V H 14, vloeistof-vloeistof

v

= Verdampend; C = Condenserend 150 W/m2_K 2800 W /m2 K

/~

2800 W Im2K )

.J

2800 W/m2

K

~ 1100 W/m2_K

Met behulp van onderstaande vergelijking kan dan het oppervlak berekend worden:

Q

A

=

---6T

_'n

* ku (5)

Hierin is A het oppervlak van de warmtewisselaar,

a

Tin is het logaritmisch temperatuur-verschil en ~ is de overall warmteoverdrachtscoëfficiënt.

De warmtewisselaars H8 en H9 zijn stoomgeneratoren, die bij veranderende procesomstan-digheden moeten werken. Volgens [171 zijn kettle-reboilers daar geschikter voor dan thermosyphons, dus hebben wij gekozen voor kettle-reboilers. Voor de stoomproduktie in H3 is zo'n voorkeur niet aan te geven. Voor de kettlereboilers H8 en H9 is een schatting gemaakt van de totale stoom produktie met behulp van de gemiddelde regeneratiestroom, zoals vermeld in de massa balans. Deze gemiddelde stoom produktie is ook meegenomen in de economische berekeningen.

8.4.2 De stripper

De berekening van de stripper is uitgevoerd volgens de methode van Zuiderweg [181. bijlage 10. De achtergrond van de methode is de volgende: Uit de evenwichtsberekeningen zijn gas- en vloeistofstromen bekend. Hiermee wordt de flowparameter fie berekend. Er wordt een schotelafstand en een schotelgeometrie gekozen, d. w .z. een gaatjesgrootte , een steek, een lengte overlooprand etc .. Verder wordt gekozen op welk deel van de maximale

belasting

Amax

men opereren wil. Nu kan uit figuur 8-10 [181 de schoteldiameter afgeleid worden via de werkelijke labda. De geometrie ligt dan in principe vast. Dan worden drukval, hoogte vloeistof in de valpijpen etc. berekend om na te gaan of de kolom in deze situatie niet overbelast raakt. Eventueel wordt de geometrie aangepast. Dan kan het schotelrendement berekend worden, waarbij het van belang is om reeele schattingen van overdrachtscoëfficiënten te gebruiken. Uit het schotelrendement en het aantal evenwichts-trappen wordt het werkelijke schotelaantal afgeleid.

Bij de berekening bleek dat het knelpunt bij deze kolom de relatief lage gasbelasting en de daardoor hoge vloeistofbelasting was. De grootte van de uitgaande gasstroom is relatief klein omdat de hete stoom gebruikt wordt om het mengsel op kooktemperatuur te brengen. Hierbij condenseert de stoom. Het doel van deze kleine gasstroom is dat de absolute hoeveelheid stoom over de top zo klein is dat de stroom zonder meer de Claus plant ingevoerd kan worden.

8.5 Procesregeling

&'\.>0

~ /e~~""""

---In dit proces moeten de regelaars voor vrijwel alle stromen tijdsafAankel1~jKWefKen. Het regelsysteem voor de ontzwavelingsinstallatie is dus vrij ingewikkeld en moet zorgvuldig ontworpen worden. Bovendien moet rekening gehouden worden met een lagere dan de ontwerpconcentratie H2S in de gasstroom. Het is dus wenselijk dat de tijdsconstanten van

de regeling veranderd kunnen worden. Het duurt immers langer voor het acceptatiebed beladen is en daardoor kan de regeneratie ook langzamer verlopen. Problemen kunnen optreden als de concentratie H₂S hoger wordt dan de ontwerpconcentratie, want dan is de regeneratiestroom-behandelingssectie niet groot genoeg. Dit geval doet zich echter in de praktijk niet voor omdat bij de kolenvergassing de kolen gemalen en gemengd worden. Hierbij wordt op de hoeveelheid zwavel in de stroom naar de kolenvergasser gelet.

v De diverse regelaars zijn niet aangegeven in de flowsheet omdat het tekenen daarvan duidelijkheid· van de flowsheet niet bevorderd zou hebben. Op welk tijdstip en in welke volgorde het open- en dichtgaan van de kleppen moet gebeuren wordt duidelijk in de beschrijving van het proces en deel 2 van de flowsheet. Voor enkele andere gevallen zal de regeling hier toegelicht worden:

-De inertstroom 10

Gedurende de verschillende fases van de regeneratie is er altijd inert gas nodig. De klep vóór het fornuis zal nooit helemaal dicht hoeven te gaan maar het benodigde volume inert gas varieert wel. Er is dus een tijdsgestuurde flowregelaar nodig die de stikstofsstroom regelt. Daaraan moet een flowregelaar gekoppeld worden die de waterstofstroom proportioneel aan de stikstofstroom regelt, zodat de goede verhouding altijd gehandhaafd blijft. Ook de hoeveelheid gas die moet verbranden in het fornuis hangt samen met de totale inert gas flow.

.-./ -De ketelwater/stoom stroom.

[r

De ketelwaterstromen die in warmtewisselaars ~ en 8 in stoom omgezet worden zijn variabel. Dit is noodzakelijk omdat de regeneratiestromen die door de warmtewisselaars geleid worden varieren van samenstelling en van omvang. Gedurende dertig seconden is er zelfs ~. Er moet dus een regelsysteem ontworpen worden die de overloop"Stroom in de kettle reboiler koppelt aan de toe te voeren hoeveelheid ketelwater .

8.6 Flexibiliteit

Het ontwerp is mogelijk niet flexibel als er een extra de activering van de acceptor optreedt. In dat geval, met een gelijkblijvende synthesegasstroom, raakt een acceptorbed sneller gevuld. Het vers geregenereerde bed moet dus sneller beschikbaar zijn. Hierdoor zou er sneller moeten worden geregenereerd. Hierbij kunnen zich twee gevallen voordoen; Ten eerste kan het nodig zijn een grotere stoomflow te gebruiken om evenveel stoom in de kortere tijd te kunnen doorvoeren. Dan is de capaciteit van de warmtewisselaars niet groot genoeg om deze verhoogde stoomstroom te koelen. Als dit het geval is, is het proces dus niet-flexibel. Ten tweede kan het dat de regeneratie ook bij een evengrote stoomflow in de kortere tijd voldoende snel verloopt. In dat geval kan de regeneratietijd gewoon worden verkort en is het proces wel flexibel. Beslissen wat het geval is vraagt een betere kennis van de regeneratie.

9 Warmte- en massabalans

9.2 Toelichting op de warmtebalans

Bij het opstellen van de warmtebalans zoals weergegeven in de stromenstaten is uitgegaan van de door Chemcad gegenereerde enthalpiewaarden. Chemcad definieert de enthalpie-waarden als volgt:

H

=

0

f

cp (ideaal gas) dT

+

6Hp

+

H.

met:

Cl Hp = correctie voor de gebruikte toestandsvergelijking H.

=

arbitrair gekozen basiswaarde

De enthalpiewaarden zijn vermeld in bijlage 13.

9.2 Toelichting op de massabalans

Om de massabalans makkelijk te kunnen controleren is deze gegeven voor de stromen gemiddeld over een regeneratiecyclus van 5 minuten. De bijbehorende berekeningen staan

vermeld in bijlage 9. () .l ( .r-'" ~""",i-v' . L !'. ,r"V- Y C . '1; . \ "I, . l/lv-" l/lv-" , , 0 ~"",. ~'\i-!l./v'" "" ') ,,). ..",

1

'---IN

Voor-waarts

Massa -en

armtebalans

Retour

UIT

w

tv1

Q

M

M

M

Q

Q

Q

-

, ,.'

II()]

'r-2lt)· /0

">

(

1

/MtJv:

₁

- r '

/~

/

/()6'1

b

zbJ.I./0

3

~

,

IJ

.()3 -2U; . 105

-

_?

I

...J

I _I

I

-

-

I

H

I I

2-....

-1-~ lo6.~

6

_-

_-

_-

--1.1,'8.

I lIJ=>

/1-.03

2~.~ 10:>

_1-.

Ir - I -

I

-H

~

-

b

/1.

.

oa

~:& ID~

rID

....

-1

I

', J

I

_~~'--JtIl/

&lé

_ lo6.Q{, ,2Q1.9J

db)

---.

(j>

3.LtI

~.o

10

3

R

/j.62.

;Ji.~ /0

s

_®

\

~

~

ï

/~8.O

I

I

2dt.'8

R

cel'

5

_I

I

9·q8

1·2.·/,3

~ _I ~

~

...

_WX

~.o2.2

0,2-/0

3

_(-

IM

I '

..

_I

10.06

f-.-~

/.('/0-:'

11

I

I

,---f

~

I

\ 1 \ 1

I

6.?'

,,3

I

\

I

I

I

"'-5ë

~. ()

-b.~

10

3

/1.8;

-lfi.O

IQ

3

/.f)(J

I,~.

_10-; \ /4.411 -1,1" ,,~ ,

_1/

-

-/3

·bZ

I

_j

-I

.;i/.K la 3

r®

-tI/-.n

I~.OQ /~.q

,,,;

_@

I

23'{.2.

rHJ

-4J;,1-

/~

>

22..

Ç"s"

-:;:;..--f2.1

103

3)

22.Ç.,

2:1.Q

IQ'

@-2Z.

~l)

@--3.~ 103

/0.31

~·2

10 3

(5)-/~I

/8

~o--·I/.-:/. /~, - r .

~

Jf-~

:u.

WIt

I , "

R-b

!i

8

V

10

1,f.<t1

-

-

--- t

I - - - r

+---i

/I.?

, , ~ I J ~ '-" ~ ~ ~ v !

!

I y J

'it.fJ:t

2t>~lt

, ! I

~

\

-70/1

10 3

W~

I -';1

10. ;

1-

I

J.

2,

lol

§--

l

,611.J.../()

?, _~

Massa

in

kg/s

Warmte in kW

,

1

H

~~

-

I~

,.

_6l

0 } -b&.2,dO'5

1

fy"'-Wa4r

@~

12.'83

-11J.I,jó

3

r---V

11

--p

...-V

1Itf;.:is

I<.

J

4.5

ti

~

/()31-

3.2.

10

~

f~®

-Ta

t

a al

•

.2Q'g.~

IbJt.3

/t?

Fabri eks vooront

vverp

( (

-t:;

I:J~J

j

:

(iot

sTr

OOIJl

j

Componenten

CO

-

---_._----11.2-

- - - ---

-COl

_._---- --_ ..

_._--N"e

----

Ar

----

Uz{J

-

-

H;tS

--- ---- -

---

. . --

-To

t

aal

.

-~

I:1HJraotshoorn

f

Componenten

___

LiL

-

-

-

Ik-

--Là.i

-

-

/JlJJ

---

Ar

-

.l{Q

--

#Q

[.

-.---- - -- --

---101001:

'

-M in kg/s

I.

k.d.d~

M

a

-- ---

-tf.

tJ

₃

11-~3

-iJ

.

IJ lIJ

"3

h.

M

Q

8

6.

2

7'

-

j!t()';

1.~2.

(v.

5"32

0.9-/.'1'i8

,g.)b

- - - -

-/tJb

..

qb

2'18/-10

3

( - -- ---- - - - -- -" - - - - -_. -_. _-". - ---

---2.

s~«S

3

.

bh'kfh[

_

_

7~

waiuJ!1:-

_

~

- -

-- -- -

-

-

---.. _-- -

--

-

--M

(l

_M

(l

_M

_Cl

_H

_II

-J-6·i'L

.--- -- -- - ---- ----. -- _ .. ---

-__

~,~/Oi.-

_{- -}

-- - - o

.I! 22,..

--_

i,

f21:

_

-_~~23~_

_'I'CJ

5'

- ---

--_

o·2L

---- - -- --- --_. - _{-- --} .. _--.

----/

,458

_{- ---} --- _{- -} --

_

Jf-

__

oJ

_

2.-)6

-

-

-

-

- -- -- - - ---_ ... - -- -- - -- --- - - - _ ..

_-

_-

--

-_

._

-

- --- --- --"- - - ---- ---. - -- -- - - -- --- --- - - - -- _.- - - -- --- ---- ---

-lob.,

cy;

26rl

,,,3

_CJ·tj3

1[(.

.

lIJ

3

CJ.().lL

IJ. ~

_{10 3}

I/.()J

-21.S-

_fa ~

7·

ef.

_{- - - -}

'j.

IJ.

"

- - - -

-- -

-M

Q

_M

_!l

_M

_U

_M

n

- - -- - -- -- - -" - -- ---- -.--- _-

--

- -

- - - - _ ._- -- - ----_ .. - - ---

--

-

-

.---- -- - -_ .. _- -- -- .. --- _-- - -- -.-.- ---. -- -- - _{- --- -} - - - -- - - ---- -- ,---,- -

-

-

--- --

--'-f-~

_---

I~Oj

_{- -}

_

l

_

lt!

/.3.

6

-

_Z

--- -- --- ---- --- --- - -- ---- -- -- - -- - - .. _- _{--- -} -- -- -- ---._-- -- -- ---- --- -- --- _ ._-

-21j.}f

/0'

- - - ---- _{- - - -- --}

-

---

-

3

_--- --- ---<

1/,03

111 03

!1l2i~~

_

3.f'/

lq~

I()

13.6z

-S l ,.

rn /

Co m

pon

ent

e

:

l

l a a t

- - -

-~

t:J!.!1

j

:

(j

al

s

tr

~o",

~

Componen ten

Cl

_

~

--

---~

-

-~-

--

Aç

.-~

fîa

-

-

-

2~

.. - _- -- -_. -- ---- -

---Totaal:

_

~

gj)OtaatsTToorn

~

Componenten

-

(j)

-

-

4

-Co~

-

-

----

4li

--

--

-

Ar:

~

Jt

.

-

2i.

--- --- ---- -- --

-T

o

taal:

M

io

kgls

n

j'l

,

<

W

fl.

M

a

(),ou.

- _.

9

'

~~

~

liJ,()O

1/1

I~ ~

lb

.

M

U

o,()rl

ffL

/2)..6

2

·

5(;,

22.

.

5'5

4~1103

( ₍ - - --- - -- ---- _{-- ---- -".- -}

-ti.

13_

_i!L~

_{__}

_{_}

Ii).

-

- -

_-

_-

_'

- -- -- -- - -

- - - -

-

-

-

_.

-M

u

M

II

M

U

M

U

--4

b

_:

2

_!i-

- -- --- - - -- -- - ." ".

9.

b

,

2:3

_

-

2

c

~t2!t

O.

(),22

_{--- .-- -- -}

{),1i2Z

_{-- - -}

_{_}

_J.!zL

--'-!

~L

- - ----_. - .-

I.

9-~

--~~

~.~8

_-

- -

=

94

l

-

-

---

-

2,~t

~~

_{- -} _.- - _._- -- .-.

.

~

tg

_

_{-- - --}

-/ll5(f

_{- -- --}

Lg,~2-

_-

_-

--

___

2

,

E~

-

-~fL

- - - --- - ____ _ t} ___ -- - -- -- - - - -". --- -- ---- ----_. . --- - - ---- - _.- -_. -

---

- -

- - - -- - - _{----- - ----}

-lo6,q6

10

~

10J

~'i.

_t

_lIJ'

- -

-2°/"9

I

(J.

OP

13.q

23,62.

IIR

.

Of

2.o-'/.8

I~

"..

I;'

I~

,

_''J,

iJ;

.

-

-

-

-

-

--- -"- -

-M

U

M

n

M

Cl

M

n

- -- .- - ---- -- -- --.- --_ .. _- -. _- -

-d.o/

t

ó

,

Ol1

_~

_~/l

0 I - -_ .. -_. -- - --_._- --- --- -_. - - - ---- - - -- - - -- --- _-

-f

.

l-

L

1/:_L

-_.- - -- ---

-+11

- --- "-() _._ - -- - -- - - - ---

- -

- --._ . - - -."

---~

tJ

:

l-.~

__

/2.g6

_- _ . _{- -}

Q./6

_

----_. - --

11.

{

c2

--~!

)6

'l,

'ib

_-

_{_}

_.

_{_}

_{__}

_~

_2.

_L

_~~

_{_}

_-- --- -(J.()g - - _. ---- --

--

_

.. --- - -

_--

- ---- -- - - _. --- --- ._-_ . . --- .- _{- --} _.

-

_

.. - ---. ----_. - _{- --} -- - -

--

-10 3

-

-

- -

-_.-._ -- -- -

-.3

2.~

.

''i

1./,j

,22.5')

-~C)

/i

_ld.

al

_8,2-

l(j

?

_11.18

-

/{,I

_/0

- - -

-S l

r

00

rn

1

Co mp

0

n ent

e

J I

:J

L a a t

( ( ( --- - --- --- --- -

-:1:J~

(

~(~olsTr?OIIl

_2_/

_

, _ _ _ _ _ _ _

2;._' ' _ _ _ _ _ _

,(_3_, _ _

_

__

_

_

_

.tr~

_

___

_

_

__

,

(,

_

5: _

___

_

_

j

Componenten

M

a

M

n

M

(1

M U M

a

eb

____

,

__

_

__

____

_

H:é.

-

--- ----

---

-~.o.

AI;

---~-

--

--

--

-=--

-

-

---

--

--

--

---

--

Ar:

-

- - - -

- - -

-

-

----

-

---

f4

I..L-.

O

-

-

--

11

2

--",,-

J

-1,/Jtl

- - -

-

- -

-f

1/

0.16

2,1-/8

- -- - - -

- - -

- - ---- - - ---

- - -

-Tot aal:

a,tz!:>

o.tJ8

/2,83

---- -~_._--

--

-

-

-

- - - -

- - - . - - - . - - - - -

-

-

- - -

- - - -

- - -- ---

-~l:!.puroot~Troorn

_2/,_

-

_

'

_ _ _ _ _ _ _

__

_ , _ _ _

1 _ _ __ • _ ___ _ _ _ __ _ _ _ _ _

, COlJlponenten

M

a

M

Q

M

n

M

u

M

U

-

--

LQ- -

- - - -

- -

-

-

-

-

---

J4z

-

--

- - - - -

- ----

--

--

-

-

--

LVi

-

-

t1~

_ _

_ _ _

_

-

-

t

-

--

=

======

=

1=2---',

_

r"--3~

=

=

=

==== ==-

__

-

_-

===

=== ===

===

---

- - -

- - ---

-

- -

-

-

-- --- - - - - -- --, ---

- -

-

- -

-- -- --

-

-

- - -

- - - -

- - - -

- -

-

-

- - - -

-

-Tofuui:

_/2,83

If,/

I~

- -- --- -________ ~ ______ - - - . . & -- _ ... _ _ _ --'--_ _ ----1 _ _ ___ _ _ _ _ __ _ ~ _ _ ____ _ _ ___' _ _ _ _

M

in

k~/s

:

llaat

(

_; 10 Specificatiebladen en apparaatlijsten

'"-'

Als de stromen die door een apparaat gaan variëren zijn de afmetingen van dat apparaat berekend naar de maximale prestaties. Dit geldt voor het fornuis, de warmtewisselaars

Ha

en H9 en de gas/vloeistofscheider die tegelijkertijd als buffervat voor de waterstroom naar de stripper functioneert.

De specificatiebladen zijn gegeven in bijlage 14. In bijlage 15 worden de apparatenstaten gegeven.

11 Economische aspecten

" . 1 De investeringen

De investeringskosten nodig voor een chemische fabriek zijn globaal als volgt opgebouwd:

met

Ib = de investeringen in de proceseenheden Ih

=

de investeringen in de hulpapperatuur

(6)

I,

= de investeringen in niet tastbare 'zaken als licenties, start-up kosten en pre-operationele kosten

Iw

=

het werkkapitaal, de voorraden, cash en terreinen

Er zijn diverse methoden ontwikkeld om van Ib en Ih een goede schatting te geven. Deze twee factoren hebben de grootste invloed op de totale investeringen en als deze bekend zijn kan er iets gezegd worden over de grootte van de totale investeringen.

De investeringen zijn berekend volgens de stapmethoden van Zevnik-Buchanann en Taylor. Aangezien een doel van het ontwerp was om een kostenvergelijk te maken van de hoge temperatuurs-ontzwavelingsmethode met een traditionele methode zijn de investeringen ook nog eens uitgerekend met de methode van Lang, welke een nauwkeuriger schatting geeft dan de stapmethoden [19].

Als jaarproduktie is de jaarproduktie van "schoon", ontzwaveld gas aangehouden. Dit komt neer op 3.3 miljoen ton gas per jaar. Verder heeft bij deze berekeningen een jaar 360 dagen waarin geproduceerd kan worden en is de kostenindex

ei

van juni 1990 gelijk aan

c E ,02~----+_----r__----_t_ a..

'

Cl.

.

-

o

~

x C1I a..E o '04---~---~r_---_t c "0 ~ o .c ~ 41 > ...: ~ L. "0

o

D r u kt a kt Or'- C urv e Methode van . Zevnik - Buchanan 0.05 0.' 0.15 02 025 0.3 druk. faktor Fp Figuur 4. Drukfactor F . p

c

c

I

c

I

" . 1. 1 Investeringen volgens Zevnik-Buchanan

Deze methode gaat ervan uit dat de investeringen een functie zijn van twee variabelen: de procescapaciteit en de procescomplexiteit. Voor een schatting volgens deze methode zijn er vier gegevens nodig:

1. De procescapaciteit (P in kiloton per jaar)

2. Het aantal functionele eenheden uit het flow diagram (N) 3. De complexity factor (Cf)

4. De kosten index (C_{i )}

Het inschatten van de het aantal functionele e[heden, een apparaat plus bijbehoren, is

/

een onzekere factor. Wij hebben gekozen voor

=

2, uitgaande van een adsorptie-sectie en een regeneratiestroom verwerkings-sectie. D omplexity factor is als volgt berekenen:

(7)

De drukfactor F p is uit figuur 4 af te lezen. De materiaalfactor Fm is voor roestvast staal

(300 serie) gelijk aan 1.58. Als de temperatuur hoger is dan 290 K geldt voor de temperatuursfactor Ft:

• T -

290

F

=

0 . 0 1 8 ( ---)

t 100

(8)

Als hiermee de complexity factor berekend is dant an

~et

behulp

van

Ci&

~u~

_

S')de hoogte van investeringskosten per eenhei~.;gevonden worde~:]De totale investeringen ;~~~d~~gen

(1Jäh:

(9)

De investeringen voor het ontwerp bedragen volgens deze methode 52 miljoen dollar.

Scorl.ng tor comple::ity of significant ;:JrocL'SS steps

Score

-J ·1 -I )i(IJII\C thllJuj:hrut (ti, rlotlu(tI 0.2 t).J~ 0.6

i~Cl'1I0n linie In h (rcullon, cryu.11Ji,,,uon, ctC)'

~ :t"':lJ:C oille In v.Ar~1

TClllrc'llu~e C1-\tcme (·Cl ~lln 20

1 (mr,'I.lIUlt C1-\tC'mc CCI \Il..'\

;' : ( ""1": c\uC'm..: Illml ~lln l":,·"UIC' ,\u\·,nl' 111:11) .

\1.11-"!JICtJlh of conlltuctlon \!Sb

(,··n.I.llll'nJllInn,·

. II I ,;'10"1'''' . .111'" t"'l!nur or 10'1\lly rruukm\. SCOIC I Ir a mllor rrO~lcnl. 11', tI'·HI:,,", H'lllulJ bClh, !\~urc I,

1.1 I -25 j<Yl 01 10' ss .. , Io.:('("t-'J~h ~I "sJ. LbL~IS(. n'C

"., P,'11I1p.!: 11:.11":11:11, (lf '10111l1 !>.rt. Sc",c 1 Ir b.rf. ddr"tcn..:c <re J:'Id SCf'ltC l.r < I r.

I.~ I 111·~11 ,\·,· ... 1110 JILlln C.~, SUll\' I .r \l1\lIl1lI10" ., 10 IUJUCC lcy' (IH~'r<'",'ol 10 IC) rrM IrocL j ,' 1111"1 nJI""Jllt'" C.J:. In Lu .... l. S",t.,r: I.

"

5 - '5 -12S , 11\0 I ~r,o 001 <0' _:'10 I L "sf Tl1lnl'Jm (:,,('"\d Huldlo)' ~I,\.d 'Ir..,rl nL'lst J

",uil' I~) -J -2 -1 • 10 11

" Cc,tllncn .nrte,

f

(l.~ 0.6 0.8 t.l 1.7 ~l lK )7 . , 6.) ' " In", 14 M :5 ll~0 -00 rH'ClO"" '!t( LJ I~ lant.all'Jm 12 )J IJ JO

"

<2 1100 14 )9 11 :J

."

• 7 IIU .9 I :U 11 16 51 (,f.,

JI nr h~u .. 1 rhl'~ rClCIIC"ln' <,Ully. AH nih..:" ' .. or('· 0." \tS • ~ltld Ilcd. CSS. SIJlnkn '1f~1. '"Rl\I!-i.. Ruf'o""t.I • ..,,.d m,ld llcd. t'l.b1.\4S" I·bonllt' hnrd mild 'lt'd./I.I.~'S·

I n.lMlcllmcd mtltJ IIccl. tl"t.~I~ • Lead hncd mild IICd.

Figuur 6. Complexity-score voor relevante processtappen.

L

c

( '

-Cl

I

c