Methanol-fabricage

(1)

April 1986

,,*,}~.i

· T

H

Deift

Technische Hogeschool Delft

G-groep

Afdeling der Werktuigbouwkunde

Vakgroep apparatenbouw procesindustrie, koudetechniek en klimaatregeling Sectie apparatenbouw procesindustrie

(2)

Methanol-fabricage

(3)

Voor U ligt het verslag van de G-groep februari 1986. Gedurende een periode van 10 weken werkten 9 werktuigbouwers en

9 technologen aan het ontwerp van twee methanolfabrieken voor Methanol Chemie Nederland, Delfzijl.

Op deze plaats willen W1J Prof.dr.ir. J. de Graauw, Prof.ir. A.G. Montfoort, drs. F.A. Meijer, ir. W.J.B. van den Bergh,

ing. T. de Bruin, Dipl. Ing. S.K. Heffels, ir. J.P. van der Linden en ir. R. de Goede bedanken voor hun begeleiding in de vorm van adviezen en ideeën.

Michiel Bosse Peter Donck Frido Drost

Loek van Everdingen Wouter van Gerwen Sabine Gillet Marlies van Haelst Ronald Koster Wilco van der Lans Hees Lodder

Harry Spuyman Hans van der Steen Rob Uitermarkt Doke Vemer Cor Verlaan Elbert Westerhout Marcel Wijs

(4)

SAMENVATTING

Voor Methanol Chemie Nederland v.o.f., Delfzijl werden 1n een fabrieksvoorontwerp twee methanolfabrieken ontworpen ( 2300 ton per dag Grade AA methanol ).

De eerste methanolfabri2k bestaat uit een stoomreformer, een reformer voor partiële katalytische oxidatie en een ICI-reactor met cold shot.

consumptie aardgas 91,55 ton/hr zuurstof 32,12 ton/hr produktie methanol 96,01 tcn/hr electriciteit 168,26 M\V

De energieconsumptie 1S 31,29 Gigajoule/ton methanol.

De ~weede methanolfabriek bestaat uit een stoomreformer en een Lurgi-reactor. In de recycleloop rond de Lurgi-reactor wordt CO

2-absor;tie toegepast.

consumptie produktie

aardgas 107,76 ton/hr methanol 95,83 ton/hr electriciteit 7,1 MW

. . . 4

5

4)

1 -

1 t-

_{G .} . 1 / h 1 energ1econsumpt1e 1S , 19aJou e ton met ano .

~

De

Bij thermodynamische berekeningen werd over het algemeen Soave-Redlich-Kwong toegepast. Bij.de berekening·yan de reformers werd steeds evenwicht bij eindtemperatuur verr"\ndersteld.

De methanol syntheqe rpactor werd berckend met behulp van het kinetiek model van Klier. Bij dit model bleek dat er voor de conversiesnelheid een optimum CO

2-gehalte is.

Het uitbalanseren van de koelers en verwarmers in de fabrieken, en daarmee het exergieverli.es beperken, bleek essentieel in de pogin~en cm het overall energieverbruik tot het ~inimum te beperken.

(5)

In de destillatiesektie worden eerst, na toeveeging van water, de lichte gassen verwijderd en vervolgens water van methanol gescheiden.

De "Process" prograrmnatu'.lr van Simsci bleek een geschikt rekenprogramma voor beide fabrieken.

Een fabriek met gedeelt.elijke CO

2 -flbsorptie 1.n de syntheseloop en gedeeltelijke spui verbranding in de reformer, wordt optimaal gedacht.

(6)

INHOUDSOPGAVE VOORWOORD SAMENVATTING INHOUDSOPGAVE I. ALGEMENE INLEIDING I. PROBLEEMSTELLING ~v i ~~ ~v

2. INDELING VAN HET VERSLAG 3

3. UITGANGSPUNTEN 3

BIJLAGE l.I. Uitgangspunten van het ontwerp 5

11. BLOKSCHEMA EN SIMULATIE 9

I. INLEIDING 9

l.I. De simulatie programmatuur 9

1.2. Simulatie modelconstructie 10

1.3. Beperkingen van de programmatuur 12 2. METHANOL SYNTHESE MET IC I-REACTOR 17

2.1. Synthesegas sektie 17

2.2. Methanol synthese sektie 19

2.3. Destillatie sektie 19

Algemeen IC I-reactor 21

Energiebalans methanolfabriek met IC I-reactor 22 111. FLOWSHEET, STROOOMTABELLEN EN APPARATENLIJST 25

Stroomtabellen 29

Apparatenlijst 36

IV. EERSTE REFORMER 57

I. INLEIDING 57 2. THEORETISCHE ACHTERGROND 58 3. BEREKENINGEN 62 4. RESULTATEN 67 5. CONCLUSIES 73 BIJLAGE IV.I. 76

BIJLAGE IV.2. Dimensionering van de eerste reformer 77 SYMBOLENLIJST

LITERATUUR

78 79

(7)

1. INLEIDING 2. THEORIE 3. BEREKENING 4. RESULTATEN 5. D IMENS IONERING 6. DISCUSSIE EN CONCLUSIE BIJLAGE V. I. De zuurstoffabriek SYMBOLENL IJST LITERATUUR

VI. WARMTE TERUGWINNING I. INLEIDING

2. THEORIE

2.1. De waste-heat boiler 2.2. De gas-vloeistofscheiders

BIJLAGE VI.I. Dimensionering waste-heat boiler BIJLAGE VI.2. Dimensionering van verticale

SYMBOLENLIJST LITERATUUR

gas-vloeistof scheiders

VII. SYNTHESEGAS COMPRESSOR I. INLEIDING 2. THEORIE 2.1. Analytische methode 2.2. Grafische methode 2.3. "Process" 3. RESULTATEN

3.1. Make-up gas compressor 3.2. Recycle compressor

BIJLAGE VII.I. Analytische bepaling van het compressor vermogen

BIJLAGE VII.2. Grafische bepaling van het make-up gas compressor vermogen

BIJLAGE VII.3. Asvermogen van synthesegas compressor en recyclegas compressor berekend met "Process" 81 81 83 85 87 88 89 89 9 I 91 92 93 93 93 96 100 104 107 109 109 I I I I I I I 1 I 111 113 113 113 115 117 118

(8)

SYMBOLENL IJ ST LITERATUUR VIII. STOOMBALANS 1. INLEIDING 2. STOOMCONSUMENTEN 2.1. Synthesegas compressor 2.2. Zuurstoffabriek 2.3. Pompturbine 2.4. Spuigas verwarming

2.5. Refining kolom reboiler

2.6. Processtroom 3. STOOMPRODUKTIE 3.1. Waste-heat sektie

VI

3.2. Methanol synthese reactor 3.3. Convectiesektie 4. STOOMTURBINE 5. STOOMBALANS IX. IC I-REACTOR 1. INLEIDING 2. THEORIE 2.1. Reaktorontwerp 2.2. Reaktiekinetiek 2.3. Adiabatische reaktor 2.4. Cold shot 2.5. Spui en recirculatiestroom 2.6. Drukval over de reaktor 3. BEREKENINGEN EN RESULTATEN 3.1. Berekening van de reaktor 3.2. Berekening van de drukval 4. DIMENSIONERING REAKTOR 5. RANDAPPARATUUR 5.1. Spuigas expander 5.1.1. Inleiding 5.1.2. Berekening 5.1.3. Resultaat

5.2. Flash drums en warmtewisselaars 5.3. Recompressie 120 121 123 123 124 124 124 124 124 124 125 126 126 126 126 126 127 129 129 131 131 133 135 139 140 141 143 143 146 147 149 149 149 149 149 150 150

(9)

LITERATUUR X. DESTILLATIE

I. INLEIDING

XI.

2. HET THEORETISCH SCHOTELAANTAL 2. 1. Inleiding

2.2. De topping kolom 2.3. De refining kolom 3. DIMENSIONERING KOLOMMEN

4. RENDEMENT EN AANTAL PRAKTISCHE SCHOTELS 5. DRUKVAL 6. CONTROLE OP FLOODING 7. WARMTE BALANS 8. POMPEN 8.1. De volumestroom 8.2. De leidingdiameter 8.3. De theoretische opvoerhoogte 8.4. Het pomprendement 8.5. Het pompvermogen 8.6. De pompen in getallen BIJLAGE X. 1 . BIJLAGE X.2. BIJLAGE X.3. SYMBOLENLIJST LITERATUUR

XII. BLOKSCHEMA EN SIMULATIE Methanolsynthese met Lurgi-reactor

1. INLEIDING

2. SYNTHESEGAS SEKTIE 2. 1. Reformer

2.2. Convectiesektie reformer 2.3. Waste heat reboiler 2.4. Warmtewisselaars 2.5. Flash (waterscheiding) 2.6. Compressor 156 159 159 163 163 165 165 171 176 179 181 183 184 184 184 184 186 186 187 190 191 193 194 197 199 199 201 201 201 203 203 203 203

(10)

3. METHANOLSYNTHESE SEKTIE 3.1. CO 2-absorber 3.2. Reactor 3.3. Flash V111

Algemeen Methanolsyntheseroute met Lurgi-reactor XIII. FLOWSHEET, STROOMTABELLEN EN APPARATENLIJST

Stroomtabellen Apparatenlijst XIV. REFORMER

XV. ENERGIE TERUGWINNING EN STOOMBALANS 1. INLEIDING

2. CONVEKTIESEKTIE

2.1. Inleiding

2.2. Berekeningen

2.2.1. Warmte in de rookgasssen

2.2.2. Temperatuur van de rookgassen

2.3. Opwarmen van de stromen in de convectiesektie

3. INLEIDING ENERGIEBALANS 3.1. Berekening warmtewisselaar 3.2. Electriciteitsverbruik 4. STOOMBALANS 5. POMPEN SYMBOLENLIJST LITERATUUR

XVI. COMPRESSOREN, TURBINES

1. BEREKENINGSWIJZEN VAN COMPRESSOREN

2. SYNTHESEGAS COMPRESSOR 3. RECYCLEGAS COMPRESSOR 4. CO 2 COMPRESSOR 5. TURBINES SYMBOLENL IJST LITERATUUR XVII. LURGI-REACTOR 1. INLE ID ING 2. THEORIE 3. ONTWERP SIMULATIEPROGRAMMA 4. RESULTATEN EN DIMENSIONERING 5. RECYCLESTROOM, SPUISTROOM EN CO 2-ABSORPTIE 204 204 204 204 205 207 211 215 237 239 239 241 241 244 244 245 247 253 ,~ 253 254 255 257 259 260 261 261 265 266 267 269 272 273 275 275 277 285 287 290

(11)

SYMBOLENLIJST LITERATUUR XVIII. CO 2-ABSORBTIE I. INLEIDING 2. THEORIE 3. HET PROCES 3.1. De absorptie 3.2. De regeneratie 3.2.1. Het flashen 3.2.2. Het strippen

4. DIMENSIONERING VAN DE ABSORPTIEKOLOM IN SCHOTELUITVOERING

5. BEREKENINGEN ~~N DE FLASH

6. DIMENSIONERING VAN DE STRIPKOLOM

IN SCHOTELUITVOERING 7. RANDAPPAP.ATUUR 7.1. Warmtewisselaars 7.2. Pomp 8. RESULTATEN SYMBOLENLIJST LITERATUUR

XIX. ALGEMENE CONCLUSIES

294 295 297 297 297 301 301 301 301 303 305 313 315 319 319 320 321 322 324 325

(12)

I. ALGEMENE INLEIDING

1. PROBLEEMSTELLING

Voor de G-groep van februari 1986 is een ontwerpopdracht van Methanol Chemie Nederland (MCN) ontvangen. MCN is het

nederlandse deel van Methanor v.o.f. en is voor 50% van AKZO en voor 50% van DSM. MCN heeft in Delfzijl twee methanolplants met een gezamelijke capaciteit van 700.000 ton per jaar. De huidige installatie exporteert stoom. Voorheen kon deze stoom verkocht worden aan AKZO. Binnenkort is dit echter niet meer mogelijk omdat AKZO een e1gen warmtekrachtcentrale bouwt. Verder

is de huidige installatie aan het einde van zijn levensduur. Bij het ontwerpen van een nieuwe installatie zijn de volgende

punten belangrijk: - verhogen van de capaciteit

- optimaliseren van het energieverbruik - voorkomen van stoomexport.

Naar aanleiding van het voorgaande is door HCN 1n overleg met de THD de volgende ontwerpopdracht geformuleerd: ontwerp één of meerdere methanolfabrieken waarbij een drietal methoden van

synthese-gas bereiding en een tweetal methoden van methanol synthese worden beschouwd.

Reforming: - volgens de klassieke stoomreforming bij lage druk en hoge temperatuur. Hierbij dient de invloed van CO

2 terugwinning bekeken te worden.

-~oor· ~toomreforming bij hoge druk en lage temperatuur, gevolgd door autotherme partiële oxidatie met

katalysator.

- door stoomreforming bij hoge druk en lage temperatuur, gevolgd door autotherme partiële oxidatie zonder katalysator.

Methanol synthese: - in een ICI-reactor met cold shot.

(13)

bleek dat de derde reforming methode met niet-katalytische

partiële oxidatie zou leiden tot extreem hoge proces~emperaturen. Dit zou in de praktijk tot problemen hebben geleid bij de

materiaalkeuze en de dimensionering van de reformer. Om die redenen is deze methode van reforming niet langer in het ontwerp opgenomen.

2. INDELING VAN HET VERSLAG

Na bestudering van de afzonderlijke reforming- en synthese methoden ~s besloten twee fabrieken te ontwerpen waarin steeds een

reformer en een synthese methode gekoppeld zijn. Dit leidde tot de volgende combinaties:

fabriek I - stoomreforming met katalytische partiële oxidatie - ICI-reactor

fabriek 11 - klassieke reforming met CO

2 terugwinning - Lurgi-reactor

In het verslag worden de beide fabrieken na elkaar besproken.

3. UITGANGSPUNTEN

Bij het ontwerp van de methanolfabrieken is uitgegaan van de

gegevens, die MCN hiervoor ter beschikking heeft gesteld. Aangevuld met gegevens die verzameld zijn tijdens het bezoek aan de

methanol installatie te Delfzijl.

Als grondstof zal alleen aardgas gebruikt worden. Stoomexport is ongewenst, maar electriciteitsproduktie is wel toegestaan. Van de bestaande 2 reformers '( 15 bar, 2300 ton per dag samen) blijft er één ~n produktie. De gewenste capaciteit en overige specificaties staan vermeld in bijlage 1.1.

(14)

5

BIJLAGE l.I. Uitgangspunten van het ontwerp.

Aardgasprij s

Reformercondities nu

Reformerpijpen

Synthese

Synthesegassamenstelling

Koelwater (ex koeltoren)

Luchttemperatuur

Demi-water

Stoomdrukken en temperaturen

ca. f 12/GJ.

druk 17 bar (18 in, 16 uit). temperatuur uit 860°C.

de reformer is blijkens een studie van Foster Wheeler geschikt voor:

- 42 hara druk bij een temperatuur van: - 755°C.

druk 100 bar (max.).

1

__ 12 - C02 _- ~_ _{2,05 (molverhouding)} CO + C02

25 °C (~T maximaal 7 °C)

22°C.

geschikt voor 120 bar stoom.

87 ato en 510°C, 32 ato en 480°C, . 4,5 ato en 250°C.

Stoomexport, zo hebben we reeds afgesproken, is ongewenst.

(15)

..

_•

• _•

_...

~

3. BASIS

OF

DESIGN

3.1 Methanol Specification

Methänol

99.85 wtmin.

Acetone & Aldehydes

0.003 % wt .max.

Acetone

0.002 % wt.max.

Ethanol

0.001 % wt.max.

Acidity as Acetic Acid

0.003 % wt.max.

Alkalinity as Ammonia

Water

0.1 v

..

% wt. max.

U.s.

Federal Grade AA Specification - Methanol O-M-232 F

3.2 Natural Gas

Composition

Mol.-%

CO

₂

1.90 CH 4

89.12 N

₂

+Ar

_1.28

C2H6

5.48 C3H8

1.60 C4H10

0.47 CSH 12

0.08 C6 H14

0.05 C7 H16

0.02

o

~~---~

(16)

8

70035-00-GEM

4/1

Case

1

A

4. PRODUCTION AND CONSUMPTION

4.1 PRODUCTION

4.1.1 Plant Capacity

The Low Pressure Methanol Plant is designed for a

capacity of 2300 ton/day Grade AA Methanol based on the

design-feed composition given in section 3.2 in the

Basis of Design.

4.1.2 Production Figures

.

Based on

· the analysis of Feedgas:

Rate:

Purity:

95834 kg/h Pure Methanol

99.85 wt %

The full Methanol specification can be found in

section 3.1 of Basis of Design.

(17)

I. INLE ID ING

Het fabrieksvoorontwerp werd aangevangen met de constructie van een globaal blokschema. Hierin werden de hoofdbewerkingen van het produktgas weergegeven. Deze "hoofdblokken" werden door verschillende groepen verfijnd en vervolgens geintegreerd.

Al in het eerste ontwerpstadium werd een simulatie programma toegepast. Hiermee vond een snelle identificatie van de hoofdproblemen plaats. Verder konden begi~schattingen van de toe en afvoer stromen van de verschillende fabrieksonderdelen worden gemaakt.

De gebruikte programmatuur was "Process" van Simulation Sciences Inc. (Simsci version 882). Dit is een programma voor de

simulatie van stationaire toestanden.

Van de fabrieksonderdelen waarvan de simulatieprogrammatuur te beperkt was, werden aparte berekeningen uitgevoerd. Vaak konden de resultaten van deze berekeningen in het simulatieprogramma worden ingevoerd. In dat geval diende het simulatieprogramma als rekenprogramma voor bijvoorbeeld de massastromen, de thermodynamica en de gas-vloeistof evenwichten.

l.I. De simulatie programmatuur

De "Process" simulatieprogramma's kunnen worden gesplitst in twee delen: a. een "heading"

b. het model bestaande uit "unit operations".

In de "heading" definieert men de gewenste eenheden, de toe te passen thermodynamische en evenwichtsberekenings methode en de condities en samenstellingen van de toe te voeren massastromen.

(18)

10

De "unit operations" ZlJn een verzameling "black box" eenheden waarin men één of meer toe te voeren stromen een bewerking kan laten ondergaan ( figuur 11.1.). Zo'n bewerking kan fysisch of chemisch zijn.

Onder de fysische bewerkingen vallen de bewerkingen die temperatuur en/of druk veranderen en de scheidingsberekeningen. Deze

thermodynamische berekeningen geschieden volgens de in de heading gedefinieerde methode (bijvoorbeeld Soave Redlich Kwong).

De "Process"-prograrmnatuur onderscheidt twee soorten reactoren. Een reactor waarbij men de conversies van de componenten aan de uitgang t.o.v. de ingang opgeeft en een reactor die een reactie tot evenwicht bij de uitgangstemperatuur en druk berekent. Met uitzondering van de methanatie reacties, lS de evenwichtsreactie alleen mogelijk voor enkelvoudige reacties.

1.2. simulatie modelconstructie

Bij de constructie van een model met de "Process" simulatie prograrmnatuur wordt uitgegaan van de koppeling van de "unit operations" d.m.v. de massastromen. Men ontkoppelt de warmtewisselaars en definieert alleen de gewenste

uitgangs-temperatuur of hoeveelheid uitgewisselde warmte bij een dergelijke unit.

In tweede instantie kan men de warmtestromen definieren. Hierbij moet omzichtig te werk worden gegaan omdat anders onnodig veel "loops" in het prograrmna worden aangebracht.

Door beperkingen in de prograrmnatuur is het nodig om extern berekende resultaten in het prograrmna te integreren. Hiervoor moeten dan enkele kunstgrepen worden toegepast zoals het

ontkoppelen en opnieuw invoeren van massastromen of het bij reactoren opgeven van conversies t.o.v. de ingangssamenstelling.

(19)

ingaand: - druk

- temperatuur

- samenstelling

- massastroom

black box behandeling gekozen methode

I. fysisch: - temperatuur en druk voor

- scheiding thermodynamische

2. chemisch:- evenwicht en

evenwichts-- convers~es berekeningen. uitgaand: - druk - temperatuur - samenstelling massastroom - enthalpie en enthalpieverschil - entropie en entropieverschil - vloeistof fraktie Figuur 11.1. Processimulatie unitoperation

(20)

12

Voor de thermodynamische en gas-vloeistof evenwichtsberekeningen werd Soave Redlich Kwong als methode gebruikt.

p RT v=J) n Ca a)

=

L c _i=1 b = 0,08664 n ! L x.x.a2 • i=1 1. J C1. RT ./p . C1. C1. A Ca a) P/R2T2 c B bP/T

q,

~

I g !

_!

a 2. cJ i . 42747 2 2 . a t:i RTC1. .

lp

C1.

.

5 ! a. I +m. ( I -T 2 • ) 1. 1. r1. ₂ m. 0,480 + 1,574 w.

-

0,176 w. 1. 1. 1.

!

i C I-K .. ) 1.J

q,

K l. i i

q,

~

fugaciteitscoëfficiënt voor gas en vloeistof 1.

Vanzelfsprekend is het blokschema van het simulatie programma vrijwel identiek aan het blokschema van de fabriek. Toch is niet getracht het stoomcircuit in het model te verwerken. Het

programma zou zeer complex en zwaar geworden zijn, terwijl stoom

.met de stoomtabellen eenvoudig te berekenen is.

1.3. Beperkingen van de programmatuur

Zoals ree ds opgemerkt, blijkt de simulatie programmatuur niet geschikt voor alle berekeningen. Het programma werd als ongeschikt beschouwd indien de in het programma gemaakte

vereenvoudigingen groter waren dan die men redelijkerwijs zou maken als voor een berekening zelf een programma werd beschreven.

Het programma 1.S erg beperkt op het gebied van reakties. Het programma kan de methanatie reacties tot evenwicht berekenen. Andere evenwichts reacties waarbij het evenwicht berekend wordt met de 4~~j1JS formule C In(K) = A + BIT) •

(21)

anders dan de methanatie reactie tot evenwicht, kan men beter zelf berekenen en invoeren als conversie t.o.v. de

ingangs-samenstelling.

De programmatuur is zeer uitgebreid op het gebied van destillatie. Toch bleek het programma niet in staat om de water-methanol

scheiding te berekenen. Normaal wordt water bij deze programmatuur bij de condensor verwijderd. Gebruikt men de optie om het water niet bij de condensor te verwijderen dan wordt het water in de topstroom gestuurd.

(22)

- -

-I zuurstof I ~I

~

1

I

t-roo~:,'5as

1

-'.vVI

t

-

~t!tN w;v - _ww '!IW f\

I

_I

1,IIW

I

1 verbrand:"ng t'Heeàe reformer . + -4---,

<: -:!I a s te ,Fi3 te-heat sec tie oxidatie methanatie ww ww ww flash 'vvw flas_h '_'lW flash compressor

~

synthese gas

"

I .I 1

_{- -}

_- -menger ~ ww I

-r

laste I I ww v laste

>-I I ww _',_'_last) - _e siJlitter

'v

water s;lUi Figuur 11.2. Blokschema.

I

- - - -

- -

I

l'

I

~---

I

t

I

~-

~

waste ww wa er Figuur 11.4. Blokschema. I

I

-)1-- -

-~- ~"'

J

aste

- I

I

sidedraw 1

I

-7 L

.

- - - -

~

'!J

aste

methanol

(25)

De hoofdkenmerken van de methanolfabriek zijn: - de autotherme katalytische oxidatie reformer - de ICI-reactor.

De autotherme reformer wordt gebruikt om stoichiometrisch synthese gas te verkrijgen. De ICI cold shot reactor koelt de methanolsynthese reactie d.m.v. koude produkt toevoer.

De methanolfabriek is te verdelen ~n 3 hoofdsekties: a. synthesegas sektie

b. methanolsynthese sektie c. destillatie sektie

In figuur 11.2. t/m 4 zijn blokschema's van de fabriek gegeven. Hierin worden de massastromen van het produktgas en verbrandings-gas gegeven. Warmtestromen worden met een stippellijn aangeduid.

Om het overzicht te bewaren is het stoomcircuit niet aangegeven.

In de volgende drie paragrafen wordt globaal ingegaan op de opbouw van en de aannames in de hoofdsekties.

2.1. Synthesegas sektie

Bij de synthesegas sektie worden de volgende onderdelen onderscheiden: - de eerste reformer: a. convectie gedeelte

b. stralings gedeelte - de tweede reformer

- waste heat sektie - compressor

Het voornaamste gedeelte van de eerste reformer is de stralings-sektie waarin, onder invloed van een katalysator, de methanatie reaktie plaats vindt. Tevens worden in dit gedeelte de zwaardere componenten uit het aardgas gekraakt. Deze laatst genoemde reakties worden volledig verondersteld. De methanatie reactie wordt

(26)

18 o

en druk (75 e en 35 bara) van de eerste reformer. De reacties

zijn endotherm en warmte moet worden toegevoerd. Deze warmte

wordt opgewekt door het verbranden van afgas (spui).

De warmte zal voornamelijk door straling worden overgedragen.

Na het stralingsgedeelte bevat het verbrandingsgas nog een grote hoeveelheid restwarmte (40% van de opgewekte hoeveelheid warmte). Deze warmte wordt uit dit gas verwijderd in de convectiesektie

van de eerste reformer. De warmte wordt gebruikt voor de

oververhitting van stoom, het voorverwarmen van het produkt gas, het voorverwarmen van zuurstof voor de tweede reformer en voor

het voorverwarmen van lucht voor de verbranding. Omdat de

exergie na de stralingssektie te laag is, wordt er voor de convectie

sektie bijgestookt. De eerste reformer bestaat uit twee

gescheiden fornuizen.

De tweede reformer is een autotherme katalytische reformer.

Deze reformer bestaat uit twee delen. In het bovenste gedeelte

van de reactor reageert de toegevoegde zuurstof volledig met

de toevoer. In het onderste gedeelte, het adiabatische katalytische

bed, vindt de methanatie reactie plaats. Ook hier wordt volledig

evenwicht bij de uitgangstemperatuur en druk verondersteld.

De in de eerste en tweede reformer ontwikkelde hoeveelheid warmte

wordt voor compressie verwijderd door middel van een "waste heat

sektie". Deze sektie bestaat uit een serie warmtewisselaars

met gas-vloeistof scheiders. De warmte wordt gebruikt in het

stoomnet en in een reboiler uit de destillatie sektie. Het

synthesegas verlaat de waste heat sektie met een temperatuur van

40 oe. In deze sektie is veel drukval.

De compressor brengt het synthesegas op een druk van 75 bara, nodig

voor de synthesesektie. Deze compressor heeft een adiabatische

effectiviteit van 80%.

Deze gehele sektie kan met het simulatie programma worden berekend. De reactie evenwichten werden gecontroleerd met een apart programma. De berekeningen kwamen overeen.

(27)

Het hart van de methanol synthese sektie is de ICI cold shot

reactor. In deze reactor wordt de reactor temperatuur, die stijgt door de exotherme synthese reactie, binnen, voor de katalysator, aanvaardbare grenzen gehouden. Dit gebeurd door toevoeging

van koud synthese gas.

De synthese reactie ~s verre van volledig. Het produkt na de reactor wordt gekoeld, gescheiden en het niet omgezette reactorgas wordt gerecycled. Een gedeelte van het recycle gas wordt

afgescheiden (spui) om de samenstelling van het synthesegas

voor de reactor optimaal te houden. De recycle compressor brengt het recycle gas, dat drukval ondervond over de reactor en

warmtewisselaars, weer op 75 bara. De spui wordt na in druk verlaagd te zijn, verbrand in de eerste reformer.

Bij de methanol synthese treedt een gecompliceerde reaktiekinitiek op. Het simulatie programma kan dit niet simuleren. De conversie in de reactor, de recycle loop en spui moesten met een specifiek programma worden berekend. De resulterende massastromen en

conversies konden wel in het simulatie programma worden ingevoerd. Hiermee konden de warmtewisselaars, compressor en turbine worden doorgerekend.

2.3. Destillatie sektie

De destillatie sektie bestaat uit twee kolommen. De eerste kolom dient voor het afscheiden van de lichte componenten. Het verwijderen van de lichte componenten wordt bevorderd door de toevoeging

van extra water. De tweede kolom dient voor de scheiding van water en methanol. Tevens wordt bij deze kolom d.m.v. een "sidedraw" de ethanol verwijderd. Het water wordt gerecycled.

Problemen traden op bij de simulatie van de water-methanol scheiding. Het programma stuurt het water, onder alle condities, door de

(28)

20

condensor. Specificeert men het water als voornaamste fraktie in de bodemstroom, dan geeft het, programma een foutmelding. De berekende massastromen kunnen worden ingevoerd ~n het simulatie-programma, om zo de warmtewisselaars en pompen te berekenen. Gezien de eenvoudige samenstelling van de stromen heeft het construeren van een dergelijk programma weinig zin.

(29)

Algemeen ICI reactor

eerst reformer condities druk 35 bara

temperatuur uit 755

°c

tweede reformer condities: druk 34 bara

temperatuur uit 1035 oe H 2 - e02

=

2,07 synthesegas samenstelling: ---synthese druk produktie methanol aardgas toevoer spui gas afvoer turbine afvoer

per ton methanol

massabalans : toevoer: aardgas zuurstof stoom lucht afvoer: methanol spui rookgas dest.water waste water eo + e0 2 75 bara 96,01 103 Kghr -I 3613,25 106 KJhr- 1 798,73 106 KJhr- 1 19,42 106 KJhr- 1 31,29 giga joule. kmol hr -I ₁₀3 _kg 5019,52 91,55 2007,80 32,12 10039,04 180,70 11553,34 332,85 637,22 krnol hr -I ₁₀3 _kg 3000,35 96,01 3606,54 _41,15 14304,80 _387,40 148,71 3,49 7848,05 109, 17 637,22

n

=

n=

hr -I hr -I 0,80

.

0,92 0,92 95,5% zuiver grade AA

(30)

22

Energiebalans methanolfabriek met Iel reactor

I. Synthesegas sektie toevoer

reacties

tweede reformer oxidatie 319,89 MW

eerste reformer verbranding 354,00 MW waste heat sektie :

compressor tli (in-uit) 2. Methanol sektie toevoer reacties: methanol synthese

waste heat sektie:

van sektie compressor fili(in-uit) 15,82 MW 79,16MW 768,87 Ml-l 108,56 MW 14,20 MW 3,60 MW 13,43 MW 139,79 MW afvoer reacties

eerste reformer methanatie tweede reforrner methanatie waste heat sektie:

133,71 220,42 uit warmtewisselaars turbines koelers afvoer

waste heat sektie: naar sektie turbine koelers 344,51 11,55 58,68 768,87 38,85 MW 7,88 MW 93,06 MW 139,79 MW MW MW MW MW MW MW

(31)

toevoer afvoer waste heat sektie:

reboiler twee 62,60 koelers 63,80

t.H(in-uit) 1,20

63,80 Mlol 63,80 MW

4. Waste heat sektie

toevoer afvoer

synthese sektie 344,51 synthese sektie:

compressor 19,78

stoom 135,34

methanol sektie: 38,85 methanol sektie:

recycle compressor 4,50 warmteisselaar 14,20 destillatie sektie pompen 1,20 reboiler twee 62,60 zuurstof fabriek 15,00 koeler 130,74 383,36 MW 383,36 MW 5. Totaal toevoer afvoer

reakties 428,32 zuurstof fabriek 15,00

spui extra 221,87 turbines 19,42

spui extra 221,87

koelers 393,90

(32)

25

(33)

r---t0·--~:.:.J·ë=--__'_~ r

AARDGAS

-<D

_r~

U

LUCHT _ _ N, ZUURSTOF 'ABRIEK 1

I

~

·_······i _·₁ schoorsteen

y

~----~----_00"J_--~=_--~

I

I : -1 _ _ ---"'de:.cm""in water

:

i

:

I

- -

.---_~~_=_-®>---=--~ITgJ_==-=---,!--

_ -

_

__

-_

----oIj~l

J

.----

__ -

_1 _ _

rr~---~---~'

I

,I spUi

!

"

----,

1"

I I

~"""I--+7-I

i

~,,--L}--c f!g~

D2 I

G-J

Jb .... 1 P6 /s 'o,·c! I)--(JI:!-...:.,;.METHANOL r - - - - { ( 4 9 ) - - - . #

l~'-==tf

_~/(W. HlS foezelolie 6/

gevinde pijp

~----I

59

PS _HC_1-6_:_{CONVECTIE SECTIE WARMTEWISSELAAR}

Hl .WASTE HEAT SOLER

H2-IS :WARMTEW/SS LAAR LCI-9 . LUCHTKOELER R81-3 :REBDILER

VI :STOOMORUM

V2 : ON TLUCH TER

V.l4 9 : GAS-VLOEISTOF SCHEIDER

V 7 . GAS-VLC)€/STOF SCHEIDER MET DEMISTER

I'UWI!

methanol lonk

'(

Rlo&b: EERSTE REFORMER R2 : PART/HE OXIDA TOR

R3 :SYNTHESE REACTOR

DI : TOPPING KOLOM 02 : REFINII/G KOLOM

Cl : MAKE -UP GAS COMPRESSOR Cl : RECYCLE GAS COMPRESSOR

TBI-4:STOCHTURBINE EI :PROCESSTOOM EXPANDER E2 : SPUI G4S EXPANDER PI-6 :POMP

--.

.

...-

..

~._

.

...,.._. -- METHANOL FABRIEK

MET PART/ELE OXIDATIE EN ICI SYNTHESE REACTOR

TECHNISCHE HOGESCHOOL

DEl.FT I'

I

(34)

stroom nr. I 2 3 4 ~- -co2 95,37 95,37 95,37 95,37 ch4 4473,39 4473,39 4473,39 4473,39 n2 64,25 64,25 64,25 64,25 c2h6 275,07 275,07 275,07 275,07 c3h8 80,31 80,31 80,31 80,31 n-c4hl0 23,59 23,59 23,59 23,59 n-c5hl2 4,02 4,02 4,02 4,02 n-c6hl4 2,51 2,51 2,51 2,51 n-c7hl6 1,00 1,00 1,00 1,00 h20 0 0 0 0 co 0 0 0 0 h2 0 0

o

.

0 totaal: : Kmols/hr 5019,52 5019,52 5019,52 5019,52 3 10 Kg/hr 91,55 91,55 91,55 91,55 druk: bara 37,5 37,5 37,0 37,0 0 temp: C 293 293 623 623 fase: v v v v -5 6 95,37 95,37 4473,39 4473,39 64,25 64,25 275,07 275,07 80,31 80,31 23,59 23,59 4,02 4,02 2,51 2,51 1,00 1,00 0 10039,04 0 0 0 0 5019,52 15058,52 91,55 272,40 36,5 36,0 753 873 v v 7 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10039,04 10039,04 0 0 0 0 10039,04 10039,04 180,85 180,85 36,5 87,0 653 783 v v 9 1158,44 3330,28 64,25 0 0 0 0 0 0 6905,24 1007,65 6734,14 19200,00 272 ,40 35,0

•

1028 v I N \.0

(35)

ch~ 0 0 164,64 164,64 ó2 1917,46 1917,46 0 0 n2 90,35 90,35 64,25 64,25 h20 0 0 7767,08 7767,08 co 0 0 4185,14 4185,14 h2 0 0 12203,57 12203,57 totaal: Kmols/hr 2007,81 2007,81 25531,25 25531,25 3 10 Kg/hr 64,25 64,25 336,65 336,65 druk: bara 35,5 35,0 34,0 33,6 temp: K 293 773 1308 698 fase: v v v v 164,64 164,64 164,64 0 0 0 64,25 64,25 64,25 7767,08 7767,08 7767,08 4185,14 4185,14 4185,14 12203,57 12203,57 12203,57 25531,25 25531,25 25531,25 336,65 336,65 336,65 33,2 33,2 33,2 543 440 440 v v v 0 0 0 2232,77 0 0 2232,77 336,65 33,2 440 1 164,64 0 64,25 7767,08 4185,14 12203,57 25531,25 336,65 32,7 415 v I I I

I

LU o

(36)

':1.:.. "-",". stroom nr. 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 ! co2 1146,58 0 0 1146,58 1146,58 1146,58 0 0 1146,58 0 n2 64,25 0 0 64,25 64,25 64,25 0 0 64,25 0 , h20 2144,16 3390,15 2232,77 2144,16 36,04 36,04 5622,92 5622,92 5658,96 7731,04 ch4 164,64 0 0 164,64 164,64 164,64 0 0 164,64 0 co 4185,14 0 0 4185,14 4185,14 4185,14 0 0 4185,14 0 h2 12203,57 0 0 12203,57 12203,57 12203,57 0 0 12203,57 0 totaal: Kmols/hr 19908,33 3390,15 2232,77 19908,33 17800,21 17800,21 5622,92 5622,92 23423,14 7731,04 3 235,40 61,02 40,23 235,40 179,32 179,32 10 1,21 139,16 10 Kg/hr 101,21 298,53 druk: bara 32,7 32,7 33,2 32,2 32,2 75,5 33,2 32,7 32,2 32,2 I temp: K 415 415 415 313 313 418 440 313 313 302 w fase: v 1 1 v v v 1 1 v 1 _ . . _ - - - - --- --- - - --- - - --

(37)

-ch4 459,30 1148,25 574,12 574,12 n2 294,11 735,27 367,36 367,36 h20 0,13 176,37 88,18 88,18 co 4707,07 8866,11 4433,05 4433,05 h2 19141,34 42522, II 20761,06 20761,06 ch30h 21,31 3130,87 1565,44 1565,44 totaal: Krriols/hr 27393,37 62328,23 31164, II 31164,1\ 3 10 Kg/hr 308,64 77\ ,61 385,80 385,80 druk: bara 74,0 70,5 70,5 70,5 temp: K 503 563 563 563 fase: v v v v 574,12 574,12 1148,25 367,36 367,36 735,27 88,18 88,18 176,37 4433,05 4433,05 8866,11 2076\ ,06 20761,06 42522,11 1565,44 1565,44 3\30,87 31164, II 31164, II 62328,23 385,80 385,80 77\ ,6\ 70,5 70,5 70,5 503 430 503 v v v 1148,25 1148,25 735 f27 735,27 176,37 176,37 8866, II 8866, II 42522, I1 42522, \ \ 3115,38 3J\5,87 62328,20 62328,23 771,61 771,6\ 70,0 69,5 426,65 315 v v 1148,25 735,27 0,68 8866,09 42522,11 62,28 59061,34 670,06 69,5 314 v W N

(38)

stroom nr. 39 40 41 42 43 co2 0 5790,96 958,32 5790,96 6925,31 ch4 0 985,18 192,38 985,18 1148,25 n2 0 630,68 75, JO 630,68 735,25 co 0 8866,09 1259,28 8866,09 4704,07 h2 0 41522,10 5892 ,84 41522,10 19141,34 c3h60 0 0 0 0 0 h20 175,69 0,32 O,36 0,32 0,32 ch30h 3053,10 53,28 9,00 53,28 53,28 c2h50h 14,43 0 0 0 0 totaal: Kmols/hr 3266,86 50685,43 8387,28 50685,43 68483,38 3 10 Kg/hr 10 1,55 574,37 95,69 574,37 771,61 druk: bara 69,5 69,5 8 75 75 temp: K 315 314 313 321,35 333,5 fase: 1 v v v v 44 45 958,32 958,32 192,38 192,38 75,10 75,10 1259,28 1259,28 5892,84 5892,84 0 0 0,36 0,36 9,00 9,00 0 0 8387,28 8387,28 95,69 95,69 8 8 399,0 505,0 v v 46 47 958,32 0 192 ,38 0 75,10 0 1259,28 0 5892,84 0 0 23,03 0,36 175,69 9,00 3053,10 0 14,43 8387,28 3266,86 95,69 101,55 8 I 319,0 314 v 1 48 0 0 0 0 0 23,03 1853,70 30?3,10 14,43 4944,26 131,75 I 298 1 , _w w

(39)

ch30h 3053,10 3053,10 3053,10 22,98 c3h6o 23,03 23,03 23,03 9,8 c2h50h 14,43 14,43 14,43 0 totaal: Kmols/hr 4944,26 4944,26 4944,26 32,78 3 10 Kg/hr ) 31,75 13),75 131,75 0,33 druk: bara I 1 1 1 temp: K 298 298 298 328,6 fase: 1 1 1 v - - -- -3043,30 3043,30 3043,30 0,05 0,05 0,05 14,43 14,43 14,43 4911,48 4911,48 491 1,48 131,42 131,42 131,42 ) ₃ ₃ 341 341 369 1 1 1 3043,30 2995,00 0,05 0,05 14,43 0 4911,48 3000,35 131,42 95,94 3 3 374,2 369 1 1 2995,00 0,05 0 3000,35 95,94 3 298 1 w

(40)

.ç-stroom nr. 59 60 61 62 co2 0 0 0 0 ch4 0 0 0 0 n2 0 0 0 0 co 0 0 0 0 h2 0 0 0 0 h20 1795,00 1795,00 53,40 1795,00 ch30h 0,20 0,20 48,10 0,20

Q2

0 0 0 0 c2h50h 0 0 14,43 0 totaal: Krnols/hr 1795,20 1795,02 115,93 1795,02 3 , 10 Kg/hr 32,32 32,32 3,16 32,32 druk: bara 3 3 3 3 temp: K 407 352 373 298 fase: 1 1 1 1 63 64 65 0 0 422,33 0 0 82,46 0 0 32,19 0 0 539,75 0 0 2525,79 1678,01 117,00 0,15 0,10 0,01 3,86 0 0 0 0 0 0 1678,11 117,01 3606,53 30,21 2, I I 41,15 I I 8 298 298 313 1 1 v 66 559,83 109,30 42,67 715,49 3348,14 0,20 5, I I 0 0 4780,75 54,54 8 313 v 67 0 0 9242,67 0 0 0 0 2310,67 0 11553,34 332,85 1 293 v I W \Jl

(41)

Apparaat No: Benaming, type Medium Capaciteit ( kg /s Dichtheid ( kg/m Druk in uit ( bar ) Temp ( oe ) in / uit 3 Vermogen ( MW )

e

1 make - up gas compressor " watervrij

_"

synthese gas 54,8 ~n 13,6 uit 23,3 32,2 75,5 40 145 15,5

e

2 recycle compressor synthese gas 159,7 ~n 29,7 uit 31 ,1 69,5 75 40 48 3,5 E 1 processtoom expander stoom 50 ~n 25,7 uit 12,8 87 36,5 510 390

-

11

(42)

37

i\pp.:lratcnlijst pompen, compressoren, expanuers

Apparaat No: E 2 P I P 2

Benaming, synthese gas ketelvoeding condens pomp

type expander waterpomp

Medium synthese gas water water

Capaciteit _26,5 _111,0 ₄₃ ( kg) s ) Dichtheid _17,85 ( kg/lU 3 Druk 1.n 67,5 5,5 I uit 8 88 5,5 ( bar ) Temp (

°c

) 232 155 29 1.n

/

uit 43

-

13,65 1,14 0,04 Vermogen ( MW

I

:

(43)

Apparaat No: p 3 P 4 P 5

-Bena.ming, pomp naar reflux pomp pomp tussen de

type desti'llatie toppingkolom twee kolommen

kolom

- - - -

-_._

...

Medium methanol methanol methanol

water aceton water

Capaciteit _36,3 _76,6 _36,3 ( kg /s ) Dichtheid ( kg/m 3 834 752 778 Druk in ₁ _J ₁ uit _3,4 _3,4 _6,5 ( bar ) Temp (

°c

) 25 55,6 6.8,6 in / uit Vermogen ( MW

(44)

39

Apparatenlijst pompen, compressoren, expanders

Apparaat No: P 6 p ₇

.

Bena.ming, refluxpomp pomp tussen type refiningkolom refiningkolom

en ruwe opslag

Medium methanol water

Capaciteit 32,3 9 ( kg /s ) Dichtheid 715 + 1000 3 ~. ( kg/lU Druk in 3 3 uit 7,7 4,8 ( bar ) Temp ( oe ) ~n / uit 96 134 Vermogen ( MW _{28, I} 10~3 _2,5 10~3

I

(45)

Appara;)t No: _{R 2} _R₃

Benaming-, Tweede reformer 1. G. 1. reac tor type Capaciteit 93,5 214,3 ( kg/s ) ---- _. -- .~-~-_._ ..

_

-Druk 35 75 ( bar ) Temp m~n 1035 ₂₃₀ (

°c

) max 1734 290

--Hoogte ( m ) ₁₆ ₁₄ Diameter ( 1lI ) _3,85 _3,80 L bedden ( m ) _8,31 _2,0/1,9/1,9/ 1 , 9 / I ,8 / I , 6 Vulling : schotels vaste pakking kat - type _{Ni / Al} 2.°3 Cu / ZnO op kat. vorm _{raschig ringen} _A1

203 cylindertjes D 1 Dëstillatie tOI'P~ng kolcm ~nvoer - -- -I 56 68 14 5,86 36,6 zeefplaten, cascade double pass

(46)

41

Apparatenlijst voor reactoren, kolorrnnen, va,ten

Apparaat No: D 2

.

Benaming, Destillatie type refining kolom Capaciteit 36,5 ( kg/s ) Druk 3 ( bar ) Temp min 96 (

°c

) max 134 Hoogte ( m ) 33,5 Diameter ( m ) 4,61 L bedden ( m ) Vulling : schotels zeefplaten vaste pakking double pass kat - type

(47)

Apparaat No: _R ₁_a/b _{HC 7} _HC2

-Benaming, _{pijpen fornuis}

opwarming refor- opwarmen type _t._{b.v. het}

mer gas zuurstof

synthese gas

Medium

pijpen CH

4 - H 2 ° CH4 - H ° 'L °2 mantelzijde verbr. gas rookgas rookgas

Capaciteit, uitgewisselde 306,33 36,6 8,6 warmte ( MW ) Warmtewis se lenc 3,2 103 2 opp. ( m ) Aantal Druk ( bar) pijp

/

35 36,5 35,5 mantelzijde 8 7,5 7 Temp in - uit 600 755 422 600 20 500 pijp 1334 866 866 751 mantelzijde Materiaal HK 40 Kat Ni / A1 203 --

(48)

t---43

Apparatenlijst voor warmtewisselaars, tornuizen, reboilers

Apparaat No: _{HC 3} _{HC 4} _{HC 5}

.

Benaming, _{opwarmen ont-} _opwarmen _te

verbrandings

type _{zwaveld gas}

ontzwavelen lucht

voorver-gas warmer

Medium

pijpen CH

4 CH4 lucht

mantelzijde rookgas rookgas rookgas

Capaciteit, I I ,2 22,6 26,8 uitgewisselde warmte ( MW ) Warmtewis se len< ( 2 ) opp. m Aantal Druk ( bar ) pijp / 36,5 37 8 mantelzijde _6,5 ₆ ₁ Temp in - uit 350 pijp 480 25 350 25 300 mantelzijde ₇₅₁ ₅₉₆ ₅₉₆ ₂₆₅ ₃₀₄ ₉₅ Materiaal Kat -_.

.

(49)

Apparaat No: _He 6 H I H 2

-Benaming, _{stoom overver-} _{waste heat} _HP _boiler

feed-type _{hit ter} _boiler _{water heater}

Medium

pijpen stoom procesgas procesgas

mantelzijde rookgas water water

Capaciteit, uitgewisselde 74 154 36 warmte ( MW ) Warmtewisselenc ( 2 ) . opp. m Aantal Druk ( bar ) pijp

/

87 35 35 mantelzijde ₈ 88 88 Temp 1n - uit 300 510 1035 425 425 270 pijp 1334 342 300 300 235 300 mantelzijde Materiaal inconel Kat

-

(50)

-45

Apparatenlijst voor warmtewisselaars, fornuizen, reboilers

Apparaat No: H 3 H 4 H 5

-Benaming, make up gas procesgas _procesgas

type water heater opwarmer _opwarmer

Medium

pijpen procesgas procesgas procesgas

mantelzijde water ruw productgas ruw productgas Capaciteit, 49 23,16 17,62 uitgewisselde warmte (MW ) Warmtewisselene ( 2 ) opp. m Aantal Druk ( bar ) pijp / 35 ₇₅ _74,5 mantelzijde 5,5 70,5 71 Temp in

-

uit ₂₇₀ ₁₆₇ 60,5 157 157 230 pijp mantelzijde 29 155 _153,7 ₄₂ ₂₉₀ ₁₉₃ Materiaal Kat

(51)

-Apparaat No: H 6 H 7 H 8

.

Benaming, _{HP boilerfeed-} _{spuigas verwar-} _spuigas

verwar-type _water _mer _mer

Medium

pijpen llrOduct gas spuigas spuigas

mantelzijde water stoom stoom

Capaciteit, uitgewisselde 39 6,6 7,6 warmte ( MW ) Warmtewisselene ( 2 ) opp. m Aantal Druk ( bar ) pijp

/

7I 69,5 mantelzijde 88 88 5,5 Temp ~n - _uit 290 157 40 pijp 126 126 232 mantelzijde 155 235 510 190 ₁₉₀ ₁₅₅ Materiaal Kat

(52)

47

Apparatenlijst voor .warmtewisselaars, fornuizen, reboilers

Apparaat No: H 9 H 10 H 11

.

Benaming, condensor voeding op- condensor

type topping warmer refining

kolom _kolom

Medium

pijpen methanol/ aceter water methanol; water mantelzijde _{productstroom} _{Droductstroom} _mpth:ln()l

Capaciteit, uitgewisselde 3,64 1,23 3,58 warmte ( MW ) Warmtewisselene ( 2 ) opp. m Aantal Druk ( bar ) pijp

;

I I I mantelzijde I I I Temp in

-

uit 55,6 55,6 117 84 68 96 pijp ₂₅ _55,6 _{55,6 68} ₉₆ ₉₆ mantelzijde

-Materiaal Kat

.

(53)

Apparaat No: _H ₁₂ _H ₁₃ _RB _I

-Benaming, _{voeding op-} _methanol

koeler topping kolom

type _warmer

reboiler

Medium

pijpen _{methanol - water methanol}

methanol

mantelzijde water koelwater methanol - water

Capaci teit, uitgewisselde 0,64 6,20 47,22 warmte ( MW ) Warmtewisselene ( 2 ) opp. m Aantal Druk ( bar) pijp / 3 3 3 mantelzijde 3 3 I Temp 1n - uit 96 101,2 96 25 ~6 96 pijp mantelzijde 134 IJ 7 25 32 ~8 68 Materiaal Kat ._- ._ - - - -

(54)

-49

Apparaat No: RB 2 RB 3 H 14

-Benaming, refining ko- refining ko- water koeler

type lom reboiler lom reboiler

.

Medium

pijpen stoom _{synthese gas} _water

mantelzijde water water halwat:er

Capaciteit, uitgewisselde ₃₁ _31,6 2,24 warmte ( MW ) Warrntewisselenc ( 2 ) opp. m Aantal Druk ( bar ) pijp / _5,5 ₃₄ ₃ mantelzijde ₃ ₃ I Temp l.n

-

uit ₁₉₀ _J₅₅ ₁₆₇ ₁₄₂ 84 25 pijp mantelzijde J34 J34 134 134 25 32 Materiaal Kat --

(55)

-Apparaat No: LC 1 LC 2 LC 3

-Benaming, _luchtkoeler _procesgas

luchtkoeler

type _condensaat _luchtkoeler

condensaat

Medium

pijpen _water

proces gas water

mantelzijde lucht lucht lucht

Capaciteit, uitgewisselde 1 ,19 42,17 12,27 warmte ( MW ) Warmtewisselen< ( 2 ) opp. m Aantal Druk ( bar) pijp _/ 32 ₃₂ ₃₂ mantelzijde Temp 1n - uit J 67 142 142 40 142 40 pijp mantelzijde Materiaal Kat

(56)

51

-Apparaat No: _{LC 4} _{LC 5} LC 6

-Benaming, _luchtkoeler condensor synthesegas type _condensaat ~n stoom- _luchtkoeler net Medium

pijpen water _water _synthesegas

lucht lucht lucht

mantelzijtle Capaciteit, 43 uitgewisselde 1,78 7,51 warmte ( MW ) Warmtewisselene ( 2 ) opp. m Aantal Druk ( bar ) pijp / 32 0,04 _75,5 mantelzijde Temp in

-

uit 40 29 ₂₉ ₁₄₅ ₉₆ pijp mantelzijde

-Materiaal Kat ..

.

(57)

Apparaat No: _LC ₇ _LC ₈ LC 9

-Benaming, _methanol condensor ( 1 ) condensor ( 2 type _koeler Medium

pijpen methanol aceton methanol methanol

mantelzijde lucht lucht lucht

Capaciteit, 85,55 43,56 56,72 uitgewisselde warmte ( MW ) Warmtewisselene ( 2 ) opp. m Aantal Druk ( bar ) pijp

_/

₇₀ ₁ 3 mantelzijde Temp , ~n

.

- uit 154 42 _55,6 96 pijp mantelzijde Materiaal Kat

(58)

-53

Apparatenlijst diversen 0 . .1. turhines

Apparaat No: V 3 V 4 V 5

-Benaming,

gas - vloeistof gas - vloei- gas - vloeistof

type

scheider stof scheider scheider met

demister

.

Capaciteit 3 m /s kg/s 93,5 82,3 65,4 Vermogen ( MW ) Druk ( bar ) 33,2 32,7 ₃₂_,₂ 0 Temp ( C ) 167 142 40 Dimensies ( m H g1 2,6 2,6 1,84 H g2 1 ,75 I ,75 1,22 Hg3 1,22 D 3,5 3,5 2,46 d. 0,17 0,17 0,11 1 d 0,10 0,10 0,08 u

(59)

Apparaat No: Benaming, type Capaciteit m3/s kg/s Vermogen ( MW ) Druk ( bar ) Temp (

oe )

Dimensies ( m V 6 methanol sepa-rator, hoge druk flash 187,23 69,5 40 V 7 methanol sepa-rator, lage . druk 28,2 8 40

Voor symbolen zie de betreffen e hoofdstukken

TB 1 stoom turbine md hd 28,2 30,3 24 33 88 380 510

(60)

55

Apparatenlijst diversen o. Ll. turbines

Apparaat No: TB 2 TB 3

Benaming, stoom turbine turbine voor type Capaciteit m3/s kg/s Vermogen ( MW ) Druk ( bar ) Temp (

°c )

Dimensies ( m md 17,5 15 33 380 ketel voeding pomp hd 18,7 0,29 88 33 510 380 3,9

Voor symbolen zie de betreffen~e hoofdstukken

TB 4 turbine voor condensaat pomp 1,06 33 380

(61)

1. INLEIDING

In dit hoofdstuk komt de eerste reformer aan de orde. Hierin wordt methaan en stoom omgezet in waterstof,koolmonoxide en kooldioxide,welke nodig zijn voor de bereiding van methanol. De voeding wordt voorverwarmd en onder druk in de reformerpij-pen geleid.Zie figuur IV.4 .Daar vindt bij, hoge temperatuur en druk met behulp van een kathalysator de omzetting plaats.De temperatuur,de druk en de stoom-methaan verhouding bepalen de ligging van het evenwicht.

De warmte voor deze sterk endotherme reacties wordt geleverd door verbrandingsgas aan de buitenzijde van de pijpen te ver-branden.De warmte overdracht vindt plaats door middel van stra-ling.Na dit stralingsgedeelte hebben de verbrande gassen een hoge enthalpieinhoud op een hoog temperatuurniveau.Deze gassen worden daarom in de convectiesectie geleid om daar de warmte over te dragen aan de verschillende processtromen.

Et is alleen op het thermodynamische ontwerp ingegaan,daar de huidige reformer niet vervangen wordt.De dimensionering van de reformer is gegeven in bij lage IV. 2 .

(62)

58

Z. THEORETISCHE ACHTERGROND

Voor de berekening van de vorm1ng van het synthese gas zijn een aantal aannamen gemaakt:

- Het evenwicht wordt bereikt aan het eind van de reformer. - De temperatuur in de reformerbuizen blijft constant. - De hogere alkanen worden gekraakt.

Er zijn vele evenwichtsreacties die optreden in de pijpen. Een aan-tal reacties zijn afhankelijk van elkaar.De onafhankelijke reac-ties worden gevonden op een manier volgens het diktaat 'thermo en fasenleer'(lit 1).De twee afhankelijke reacties zijn endotherm.De reacties zijn:

CH4+HZO

t

co + 3HZ CH4 + ZHZO

t

COZ + 4HZ

( I )

(Z)

De zwaardere compenenten in het aardgas worden gekraakt.De kraak-reactie is als volgt:

(3)

De nevenreacties die optreden:

CH₄

t

C + _ZHZ (4)

ZCO

t

COZ + C (5)

worden verder in de berekeningen niet meegenomen.

De evenwichtssamenstelling,die bereikt wordt,wordt gegeven door de evenwichts vergelijkingen: Peo . p3 _HZ KI P eH 4 PH 0 Z Peo p4 Z HZ KZ P eH 4 PH 0 Z NCO . NH Z N CH ₄. NH 0 _Z NCO N4 Z HZ Z N CH ₄ NH 0 Z P Z - - - ) L n P

L

n (6) (7)

(63)

De thermodynamische evenwichtsconstanten KI en K

2 zijn een functie van de temperatuur.ln bijlage IV.I. staat de afleiding:

In KI 6,744 In T - 2,685. 10 -3 T - 23144,6 T-I + 17866,2 -17,534 In K 2 8,25 In T - 2,803.10 -3 T - 17444,9 T-I - 2,82.10 4 -33,197

Verder worden nog massa- en enthalpiebalansen gebruikt:

C-balans H-balans O-balans Q-balans 0: n.h. ) . ~ ~ u~t T -2 (8) T -2 (9) (10) (12) (13)

Naast de thermodynamische berekeningen kan uit 'zuiderweg'(lit 2) de drukval over de pijpen berekend worden.Daar er een Ni / Al

203 kathalysator in"de vorm van Raschigringen gebruikt wordt,geldt met de Ergunrelatie: t:, p H 2 met u g <p 2 • 16 v 2 D4 2 7T n

Dan geldt voor de drukval:

t:, p 1,30F p <P2 H P g v 4 2 D n (14) (15) ( 16)

(64)

60

Bij de verbranding van de verbrandingsgassen zijn een aantal aan-namen gemaakt:

- Er vindt een gelijkmatige warmteoverdracht plaats. - De reactie is aflopend met 10% overmaat lucht.

- Ongeveer 60% van de verbrandingswarmte wordt in de pijpen benut voor de reactie.

Voor de verbranding worden gebruikt:"

- het spuigas van de synthese loop. - aardgas.

De verbranding van het spu1gas levert de volgende reacties op:

( 17)

( 18)

( 19)

(20)

Bij de verbranding van het aardgas treden de volgende reacties op:

(21)

(22)

(23)

Bij elke reactie hoort een reactieenthalpie:

6 H

T

HO +

.r

6 c dT

293 p

(24)

De totale warmte die vrijkomt bij deze verbranding volgt uit de som van de afzonderlijke reactieënthalpieën minus de warmte,die nodig is om de inertgassen,voornamelijk stikstof,op te warmen. Opmerking:Ondanks dat het molpercentage hogere alkanen in het

aard-gas gering is,dient hiermee wel rekening te worden gehou-den bij de berekening van de verbrandingswarmte,daar de reactieënthalpie per mol veel hoger is dan van methaan.

(65)

T, N CH ₄ _NH₂

°

I

-vergelijking 6, 7, 8, 9 + massabalansen ==>

twee vergelijkingen met twee onbekenden.

.

I

NCH ' N NH ' _{NCO' NCO} _{' N.} , Qin

4 H2O, 2 2 ~nert

FIGUUR IV. 1. Stroomschema van de berekening van de evenwichten.

2000 1000 800 6 00

--vv 2 00 00

F:

I ~ 1 -P I m ~ I'

1\

" Bert :zadelI!;

""

keramisch-_r-... _"

~

Raschig

.

"

~ ringen rrëtcRIl

"

"- .", I'- ~ '- ~

"-"'

""-

'\.

.".

"-"

~

'"

62

3. BEREKENINGEN

Voor de berekeningen van de evenwichten in de eerste reformer is een programma geschreven. Ook met "Process" zijn berekeningen uitgevoerd. Aangenomen wordt, dat de reformer isotherm werkt en er geen drukval optreedt. Aan het eind van de reformer heeft er zich een evenwichtssamenstelling gevormd. De druk, temperatuur, de be-gin hoeveelheid methaan en de stoom worden ingevoerd. Met de ver-gelijkingen (6), (7), (8), (9) en de massabalansen wordt een stel-sel van twee vergelijkingen met twee onbekenden opgelost, waarna een evenwichtssamenstelling bekent is. Met deze evenwichtssamen-stelling wordt met behulp van vergelijking (13) de hoeveelheid warmte, die nodig is berekend. Het stroomschema staat in figuur

IV. 1. Daarna wordt met de vergelijking (16) de drukval berekend. Uit figuur IV. 2 (lit 2) wordt voor de gebruikte Raschigringen een F bepaald.

p

De berekening van het verbrandingsgas is een uitgebreide berekening. Er is daarom gekozen voor berekening met 'Process' .Doel is om na te gaan hoeveel aardgas er bij gestookt moet worden, naast de spui-gas van de synthese loop,om de benodigde warmte voor de reacties in de reformerpijpen te produceren. Vóór de convectiesectie wordt extra bij gestookt om temperatucross te vermijden.De eerste re-former heeft twee convectiesecties, die elk verschillende stromen opwarmen.

In de eerste convectiesectie worden de volgende stromen voorver-warmd:

o 0

- procesgas (aardgas en stoom) van 510 e naar 600 e - zuurstof voor de tweede reformer van 25 oe naar 500 oe

o 0

- ontzwaveld aardgas van 350 e naar 510 e

o 0

- te ontzwavelen aardgas van 25 e naar 350 e

In de tweede convectiesectie wordt hogedrukstoom dat is gepro-duceerd in de waste heat sectie (hoofdstuk VI) oververhit.

(67)

I

voorverwarmde

-spu~gas lUrht I I

I

met ontzwaveld gas

I

warmteuitwisseling met te ontzwavelen _ga~

I

lucht luchtvoorverwarmer

r

uitstoot van rookgassen

I

FIGUUR IV. 3. Stroomschema van stookgassen

(68)

64

TABEL IV. 1. Op te warmen stromen ln de convectiesectie.

stroom temperatuur temperatuur benodig,de druk

ln uit warmte ( K ) ( K ) ( MW ) ( 105 Pa ) convectiesectie 1 mixed gas 695 873 36,61 36,5 zuurstof 293 773 8,6 35,5 ontzwaveld gas 623 753 11,23 36,5 te ontzwavelen gas 298 623 22,63 37 convectiesectie 2

hoge druk stoom 573 783 74,04 87

luchtvoorverwarmer

(69)

secties is zodanig gekozen dat er in beide secties ongeveer een gelijke hoeveelheid warmte wordt ?vergedragen.

o

De temperatuur van de te ontzwavelen aardgas is gekozen op 350 C omdat het ontzwavelen bij die temperatuur verloopt. Het aardgas

o

wordt vervolgens verwarmd tot 480 C, waarna het vermengd wordt

met stoom. Deze mixed gàs stroom wordt dan verhit tot 600oC,

waar-na het de reformerpijpen ingeleid wordt. Er treedt dan nog geen koolvorming op. De uitlaattemperatuur van de zuurstof is gesteld

o

op 500 C, daar deze temperatuur de ligging van het evenwicht in

de tweede reformer gunstig beinvloed. De stoom wordt oververhit tot 510 oe om direct aan het hoge druk stoomnet te worden geleverd.

De restwarmte, die dan nog over is, wordt gebruikt om de verbran-dingslucht voor te verwarmen. Met deze condities en met als varia-bele de hoeveelheid toe te voeren verbrandingsgas is de berekening

met behulp van 'Process' uitgevoerd. In tabel I staan de condities

van deze stromen vermeld. Het stroomschema voor de berekening met 'Process' staat in figuur IV. 3.

(70)

66

TABEL IV. 2. Stromen van de componenten ~n de eerste reformer

component aardgas voor de reformer na de reformer (mol %) ( kmol / hr) ( kmol / hr )

CH 4 89,12 4473,39 3330,28 CO 2 1,90 95,37 1158,44 CO

-

1007,65 H 2

-

6734,14 H 20

-

10039,04 6905,24 N 2+Ar 1,28 64,25 64,25 C 2H6 5,48 275,07

-C 3H8 1,60 80,31

-C 4H1O 0,47 23,59

-C 5HI2 0,08 4,02

-C 6HI4 0,05 2.51

-C 7HI6 0,02 1,00

(71)

-Voor de bepaling van de samenstelling van het synthesegas na de eerste reformer wordt uitgegaan van aardgas met een samenstelling zoals gegeven in kolom I van tabel IV. 2. We nemen aan dat de ho-gere koolwaterstoffen in de eerste reformer worden gekraakt.De condities in de reformerpijpen worden gegeven door:

P 35 bar T 1028 K stoom aardgas

2

De in- en uitgaande stromen staan ~n kolom 2 en 3. Er wordt slechts ongeveer 25 % methaan omgezet. De warmte die nodig ~s om het even-wicht te bereiken en de stromen op te warmen wordt berekend met de enthalpiebalans (vergelijking(13)). Q=144,1 MW.

Voor de berekening van de drukval hebben we vergelijking (16) no-dig, waarin ingevuld wordt (voor 16 - 8 - 16 mm Raschig ringen):

850 m-I F P <P v,gem D .. P~JP n = 576 6,27 kgl m 3 12,15 m

Is

-2 12.10 m 3

Daaruit volgt dat de drukval over de eerste reformer 1,9 bar ~s.

Bij de bepaling van het benodigde stookgas is uitgegaan van de warmte, nodig in de reformerpijpen:144,1 MW. Verder is er in de convectiesectie 179,9 MW nodig. Dit betekent dat er na de stra-lingssectie bij gestookt moet worden. Uit de berekeningen met 'Pro-ces' volgt dat er geen aardgas nodig is in het fornuis. Er wordt zelfs slechts 57 % van het spuigas uit de synthese loop gebruikt. In tabel 3 staan voor lucht en spuigas aan de ingangszijde en voor rookgas aan de uitgangszijde de enthalpieinhoud, massastroom,

(72)

TABEL IV. 3. Eigenschappen en samenstelling van in- en uitgaand stookgas.

stroom enthalpie tempera- massa- molen- samenstelling (mol %)

tuur stroom stroom

( MW) (K) (kg/s) (kmol/s) CH 4 C0 CO2 H2 H20 lucht 28,45 573 90,5 3,21

-

-spui gas 2,59 293 17,1 1,33 2,29 14,9 11,7 70,0

-rookgas 61,03 368,17 107,6 _3,97

-

9, T15

-

25,0 --- - - - ---- --- -- - --- - - --- -- - -°2 N2 20 80

-

0,89 0,36 64,9 CH 30H -0,1

61,03 368,17 0,108 3,97

-

9,72

-

25,0 0,368 64,9

x Voor de plaatsen 1,9 en 10 is de totale stookgasstroomgenomen

I

---J o

(74)

6 te ontzwave-:----+---, len aardgas 5 ontzwave~l~~~---_ aardgas zuurstof 4 mixed~~4-_ _ _ __ spuigas lucht 9

FIGUUR IV. 4. De eerste reformer

8

ho e druk stoom

(75)

700 600 500 400 300 200 100 e I

I

a

---I

~

10 20 40 60 70 I 'I , -L...._,--_ - , -- -.----t----. I 10 I 20 130 80 90 100 30 50

FIGUUR IV. 5. Warmteoverdracht in de eerste convectiesectie.

u. Qixed gas (aardf,as en stoom)

b. zuurstof

c. ontzwavelci aardgas

d. te ontzwavelen aard[as

e. rook~as

-7- enthalpie (MW)

'-J