Novel application for exergy and thermoeconomic analysis of processes simulated with Aspen Plus

A visual basic application for Microsoft® Excel 2007 has been developed as a helpful tool to perform mass, energy, exergy and thermoeconomic (MHBT) calculations during the systematic analysis of energy processes simulated with Aspen Plus®. The application reads an Excel workbook containing three sheets with the matter, work and heat streams results of an Aspen Plus® simulation. The required information from the Aspen Plus® simulation and the algorithm/calculations of the application are described and applied to an Air Separation Unit (ASU). This application helps the designer when MHBT analyses are performed, as it increases the knowledge of the process simulated with Aspen Plus®. It’s a valuable tool not only because of the calculations performed, but also because it creates a new Excel workbook where the results and the formulae written on the cells are fully visible and editable. There is free access to the application and it has no protection allowing changes and improvements to be done.

Análisis de las simulaciones del proceso de deshidratación del gas natural con Aspen Hysys y Aspen Plus

El gas natural ha tomado un rol estratégico importante en el suministro de energía a nivel mundial como consecuencia de la creciente demanda global de energía. El agua es probablemente el componente indeseable más común en el gas natural no tratado ya que su presencia puede ocasionar la formación de hidratos y problemas de corrosión. Debido a las potenciales consecuencias costosas, el gas debe ser sometido a procesos de acondicionamiento a fin de alcanzar las especificaciones requeridas para su venta, transporte hacia los centros de distribución y consumo final. En los últimos años, la simulación de procesos está jugando un papel muy importante en la industria del gas y petróleo como una herramienta adecuada y oportuna para el diseño, caracterización, optimización y monitoreo del funcionamiento de procesos industriales. En el presente trabajo se describe el desarrollo de dos simulaciones estacionarias del proceso de deshidratación de gas natural por absorción con trietilenglicol (TEG), empleando los simuladores comerciales de procesos Aspen HYSYS V8.3 y Aspen PLUS V8.2. La composición del gas natural, la configuración del proceso y las condiciones de operación empleadas en los cálculos y la simulación son típicas de los yacimientos y plantas de acondicionamiento de la provincia de Salta (Argentina).

Liquid-liquid equilibria of ternary 2M1B/2M2B-2M1BOH-H2O and quaternary 2M1B-2M2B-2M1BOH-H2O mixtures

Liquid-liquid equilibria of two ternary mixtures 2M1B-2M1BOH-H[2]O] and 2M2B-2M1BOH-H[2]O were measured at 5, 15 and 25 C. UNIQUAC and NRTL models were fitted to the experimental data using ASPEN PLUS. Both experimental and correlated values of equilibrium compositions were compared with the values predicted by UNIFAC method. The same procedure was extended to the quaternary mixture 2M1B-2M2B-2M 1BOH-H[2]O. The regressed results were in good agreements with experimental data. Original UNIFAC model performed better representation than Dortmund UNIFAC model.

Low pressure carbon dioxide solubility in pure electrolyte solvents for lithium-ion batteries as a function of temperature. Measurement and prediction

Experimental values for the carbon dioxide solubility in eight pure electrolyte solvents for lithium ion batteries – such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC), ?-butyrolactone (?BL), ethyl acetate (EA) and methyl propionate (MP) – are reported as a function of temperature from (283 to 353) K and atmospheric pressure. Based on experimental solubility data, the Henry’s law constant of the carbon dioxide in these solvents was then deduced and compared with reported values from the literature, as well as with those predicted by using COSMO-RS methodology within COSMOthermX software and those calculated by the Peng–Robinson equation of state implemented into Aspen plus. From this work, it appears that the CO2 solubility is higher in linear carbonates (such as DMC, EMC, DEC) than in cyclic ones (EC, PC, ?BL). Furthermore, the highest CO2 solubility was obtained in MP and EA solvents, which are comparable to the solubility values reported in classical ionicliquids. The precision and accuracy of the experimental values, considered as the per cent of the relative average absolute deviations of the Henry’s law constants from appropriate smoothing equations and from literature values, are close to (1% and 15%), respectively. From the variation of the Henry’s law constants with temperature, the partial molar thermodynamic functions of dissolution such as the standard Gibbs free energy, the enthalpy, and the entropy are calculated, as well as the mixing enthalpy of the solvent with CO2 in its hypothetical liquid state.

Process simulation of co-firing torrefied biomass in a 220 MWe coal-fired power plant

Torrefaction based co-firing in a pulverized coal boiler has been proposed for large percentage of biomass co-firing. A 220 MWe pulverized coal-power plant is simulated using Aspen Plus for full understanding the impacts of an additional torrefaction unit on the efficiency of the whole power plant, the studied process includes biomass drying, biomass torrefaction, mill systems, biomass/coal devolatilization and combustion, heat exchanges and power generation. Palm kernel shells (PKS) were torrefied at same residence time but 4 different temperatures, to prepare 4 torrefied biomasses with different degrees of torrefaction. During biomass torrefaction processes, the mass loss properties and released gaseous components have been studied. In addition, process simulations at varying torrefaction degrees and biomass co-firing ratios have been carried out to understand the properties of CO₂ emission and electricity efficiency in the studied torrefaction based co-firing power plant. According to the experimental results, the mole fractions of CO ₂ and CO account for 69-91% and 4-27% in torrefied gases. The predicted results also showed that the electrical efficiency reduced when increasing either torrefaction temperature or substitution ratio of biomass. A deep torrefaction may not be recommended, because the power saved from biomass grinding is less than the heat consumed by the extra torrefaction process, depending on the heat sources. 

Techno-Economic Feasibility of Selective CO2 Capture Processes from Biogas Streams using Ionic Liquids as Physical Absorbents

Biogas from anaerobic digestion of sewage sludge is a renewable resource with high energy content, which is formed mainly of CH4 (40-75 vol.%) and CO2 (15-60 vol.%) Other components such as water (H2O, 5-10 vol.%) and trace amounts of hydrogen sulfide and siloxanes can also be present. A CH4-rich stream can be produced by removing the CO2 and other impurities so that the upgraded bio-methane can be injected into the natural gas grid or used as a vehicle fuel. The main objective of this paper is to develop a new modeling methodology to assess the technical and economic performance of biogas upgrading processes using ionic liquids which physically absorb CO2. Three different ionic liquids, namely the 1-ethyl-3-methylimidazolium bis[(trifluoromethyl)sulfonyl]imide, 1-hexyl-3-methylimidazoliumbis[(trifluoromethyl)sulfonyl]imide and trihexyl(tetradecyl)phosphonium bis[(trifluoromethyl)sulfonyl]imide, are considered for CO2 capture in a pressure-swing regenerative absorption process. The simulation software Aspen Plus and Aspen Process Economic Analyzer is used to account for mass and energy balances as well as equipment cost. In all cases, the biogas upgrading plant consists of a multistage compressor for biogas compression, a packed absorption column for CO2 absorption, a flash evaporator for solvent regeneration, a centrifugal pump for solvent recirculation, a pre-absorber solvent cooler and a gas turbine for electricity recovery. The evaluated processes are compared in terms of energy efficiency, capital investment and bio-methane production costs. The overall plant efficiency ranges from 71-86 % whereas the bio-methane production cost ranges from £6.26-7.76 per GJ (LHV). A sensitivity analysis is also performed to determine how several technical and economic parameters affect the bio-methane production costs. The results of this study show that the simulation methodology developed can predict plant efficiencies and production costs of large scale CO2 capture processes using ionic liquids without having to rely on gas solubility experimental data.

Simulação de um processo de pirólise rápida de biomassa

Mestrado em Engenharia Química - Ramo Optimização Energética na Indústria Química

Estudo da Viabilidade Técnico-Económica de umm Sistema de Cogeração para um Complexo de Piscinas Interiores

A presente dissertação centrou-se no estudo técnico-económico de dois cenários futuros para a continuação de fornecimento de energia térmica a um complexo de piscinas existente na região do vale do Tâmega. Neste momento a central de cogeração existente excedeu a sua licença de utilização e necessita de ser substituída. Os dois cenários em estudo são a compra de uma nova caldeira, a gás natural, para suprir as necessidades térmicas da caldeira existente a fuelóleo, ou o uso de um sistema de cogeração compacto que poderá estar disponível numa empresa do grupo. No primeiro cenário o investimento envolvido é cerca de 456 640 € sem proveitos de outra ordem para além dos requisitos térmicos, mas no segundo cenário os resultados são bem diferentes, mesmo que tenha de ser realizado o investimento de 1 000 000 € na instalação. Para este cenário foi efetuado um levantamento da legislação nacional no que toca à cogeração, recolheram-se dados do edifício como: horas de funcionamento, número de utentes, consumos de energia elétrica, térmica, água, temperatura da água das piscinas, temperatura do ar da nave, assim como as principais características da instalação de cogeração compacta. Com esta informação realizou-se o balanço de massa e energia e criou-se um modelo da nova instalação em software de modelação processual (Aspen Plus® da AspenTech). Os rendimentos térmico e elétrico obtidos da nova central de cogeração compacta foram, respetivamente, de 38,1% e 39,8%, com uma percentagem de perdas de 12,5% o que determinou um rendimento global de 78%. A avaliação da poupança de energia primária para esta instalação de cogeração compacta foi de 19,6 % o que permitiu concluir que é de elevada eficiência. O modelo criado permitiu compreender as necessidades energéticas, determinar alguns custos associados ao processo e simular o funcionamento da unidade com diferentes temperaturas de ar ambiente (cenários de verão e inverno com temperaturas médias de 20ºC e 5ºC). Os resultados revelaram uma diminuição de 1,14 €/h no custo da electricidade e um aumento do consumo de gás natural de 62,47 €/h durante o período mais frio no inverno devido ao aumento das perdas provocadas pela diminuição da temperatura exterior. Com esta nova unidade de cogeração compacta a poupança total anual pode ser, em média, de 267 780 € admitindo um valor para a manutenção de 97 698 €/ano. Se assim for, o projeto apresenta um retorno do investimento ao fim de 5 anos, com um VAL de 1 030 430 € e uma taxa interna de rentabilidade (TIR) de 14% (positiva, se se considerar a taxa de atualização do investimento de 3% para 15 anos de vida). Apesar do custo inicial ser elevado, os parâmetros económicos mostram que o projeto tem viabilidade económica e dará lucro durante cerca de 9 anos.

Análise da atual unidade de desasfaltação pelo Propano para o tratamento de crudes não parafínicos

Este trabalho teve como principal objetivo o estudo da simulação da unidade de destilação atmosférica e a vácuo da fábrica de óleos base da Petrogal, permitindo verificar que, uma vez conseguido um modelo num programa de simulação que traduz o comportamento real de um dado processo, é possível sem riscos operacionais avaliar o efeito da alteração das condições normais de funcionamento desse processo. O trabalho foi orientado pelo Eng.º Carlos Reis, no que diz respeito à empresa, e pelo Prof. Dr. Luís Silva, pelo ISEP. O trabalho foi dividido em duas partes, sendo a primeira direcionada à obtenção do novo crude a partir de dois crudes pesados e caracterização dessa mistura. Já a segunda parte reside na refinação deste novo crude através da plataforma Aspen Plus para obtenção do resíduo de vácuo, para posterior processamento na coluna de discos rotativos usando um método de separação por extração liquido-liquido. Estudaram-se as propriedades físicas dos fluidos e verificou-se que na destilação atmosférica as curvas de destilação encontram-se muito próximas comparativamente com os resultados obtidos pela empresa, enquanto na destilação a vácuo os valores encontram-se mais afastados, apresentando uma variação de 30ºC a 100ºC em relação aos valores obtidos pelo Petro-Sim. Com a finalidade de cumprir um dos objetivos em falta, irão ser realizadas futuramente simulações no extrator de discos rotativos para otimização do processo para crudes pesados, sendo os resultados facultados, posteriormente, à Petrogal. Durante a realização do trabalho foi atingido um modelo real representativo da unidade de destilação atmosférica e a vácuo da Petrogal, podendo obter-se resultados para qualquer tipo de crude, fazendo apenas variar o assay da corrente de alimentação.

Projeto de uma unidade de produção de biodiesel num reator ultrassónico pela via supercrítica

A concretização deste estágio na INCBIO teve como principal objetivo o projeto e dimensionamento de uma unidade de produção de biodiesel por transesterificação nãocatalítica num reator ultrassónico com condições supercríticas de pressão e temperatura. Com vista à concretização do trabalho, iniciou-se a realização do estudo do estado da arte relativo à produção de biodiesel, com particular enfoque na produção de biodiesel por via catalítica e por via supercrítica e na produção de biodiesel com uso de tecnologia ultrassónica. Conclui-se que nenhum estudo contempla a combinação simultânea da produção de biodiesel por via supercrítica através da tecnologia ultrassónica. Este estudo do estado da arte permitiu ainda definir as condições de temperatura, pressão e rácio mássico (250 °C, 95 bar e 1:1 respetivamente) a considerar no projeto da unidade de produção de biodiesel deste trabalho. Com base no estudo do estado da arte efetuado e com base nas características da matéria procedeu-se à definição do processo de produção de biodiesel. Para a definição do processo começou-se por elaborar o diagrama de blocos do processo (BFD) e o diagrama de fluxo do processo (PFD). Com base nos diagramas e na composição da matéria-prima, procedeu-se à quantificação dos reagentes (metanol) com base na estequiometria das reações envolvidas e ao cálculo do balanço de massa. O balanço de massa foi calculado com base na estequiometria das reações envolvidas e foi também calculado através do software de simulação ASPEN PLUS. Após o cálculo do balanço de massa elaborou-se o diagrama de tubulação e instrumentação (P&ID), que contém todos os equipamentos, válvulas, instrumentação e tubagens existentes na unidade. Após a definição do processo e cálculo do balanço de massa procedeu-se ao dimensionamento mecânico e cálculo hidráulico dos tanques, tubagem, bombas, permutador de calor, reator ultrassónico, válvulas de controlo e instrumentação de acordo com as normas ASME. Nesta fase do trabalho foram consultados diversos fornecedores possíveis para a compra de todo o material necessário. O dimensionamento mecânico e cálculo hidráulico efetuados permitiram, entre outras informações relevantes, obter as dimensões necessárias à construção do layout e à elaboração do desenho 3D. Com os resultados obtidos e desenhos elaborados, é possível avançar com a construção da unidade, pelo que pode-se inferir que o objetivo de projetar uma unidade de produção de biodiesel num reator ultrassónico com condições supercríticas foi alcançado. Por fim, efetuou-se uma análise económica detalhada que possibilita a comparação de uma unidade de produção de biodiesel por via catalítica (unidade de produção da INCBIO) com a unidade de produção de biodiesel num reator ultrassónico com condições supercríticas (unidade projetada neste trabalho). Por questões de confidencialidade, não foram revelados maior parte dos resultados da análise económica efetuada. No entanto, conclui-se que os custos de construção da unidade de produção de biodiesel num reator ultrassónico com condições supercríticas são mais baixos cerca de 35 a 40%, quando comparados com os custos de construção da unidade de produção de biodiesel por via catalítica, evidenciando assim que a combinação em simultâneo das condições supercríticas com a tecnologia ultrassónica possibilita a diminuição dos custos de produção.

Análise Económica da Produção de Óleo a Partir de Microalgas

Os biocombustíveis apresentam um interessante potencial de redução da dependência energética relativamente aos combustíveis fósseis. A produção de microalgas apresenta vários benefícios ambientais como sejam a utilização mais efetiva de terrenos, a captura de dióxido de carbono, a purificação de águas quando associada a um processo de tratamento de águas residuais e não provoca a disputa entre a produção de matéria-prima para alimentação e combustíveis. A cultura de microalgas para a produção de biodiesel tem recebido uma grande atenção nos últimos anos devido ao seu potencial. Neste trabalho pretende-se criar as etapas de processamento das microalgas em biodiesel onde são implementadas medidas de eficiência energética e aproveitamento de fontes poluidoras como o CO2. Para isso, formulou-se um modelo no programa Aspen Plus para simulação do processo desde a produção, colheita até à extração de óleo das microalgas e posterior avaliação económica do mesmo. Concluiu-se que para o projeto fosse pago no tempo de vida útil seria preciso vender o óleo a 13 $/kg. Aos preços atuais do óleo o projeto não é economicamente viável.

Sinkkirikasteen liuotusprosessin kineettinen mallinnus

Työssä on tehty kineettinen simulointimalli sinkkirikasteen liuotusprosessista. Prosessi on pieni osa Kokkolan sinkinvalmistusprosessia, jonka muita osia ovat: pasutus, neutraaliliuotus, konversio, liuospuhdistus ja elektrolyysi. Rikasteen liuotukseen tulee konversioprosessin liuos ja liuotuksesta lähtevä neste menee takaisin neutraaliliuotukseen. Saostunut jarosiitti läjitetään. Kokkolan liuotusprosessi koostuu liettoreaktorista ja kahdesta neljän liuotusreaktorin sarjasta. Liuotukseen syötetään paluuhappoa liettoreaktoriin ja liuotuspiirien ensimmäisiin liuotusreaktoreihin. Happea syötetään kaikkiin liuotusreaktoreihin. Prosessin mallintamiseen käytettiin Aspen Plus-simulointiohjelmaa, johon pystyttiin syöttämään kineettisiä yhtälöitä. Reaktionopeusyhtälöitä käytettiin raudan hapetuksen, sulfidien liuotuksen ja jarosiitiin saostumisen mallintamiseen, eli kaikkiin liuotusreaktoreissa tapahtuviin reaktioihin. Kineettiset yhtälöt etsittiin kirjallisuudesta. Liettoreaktori puolestaan mallinnettiin syöttämällä ohjelmaan reaktioyhtälöt ja antamalla niille etenemisasteet. Jarosiitin liukenemisesta työssä on tehty laboratoriokokeita, koska aiheesta ei kirjallisuudesta löytynyt kineettistä tietoa. Liuotuskokeissa käytetyn kiintoaineen kuitenkin todettiin sisältävän liikaa götiittiä, että tuloksista olisi voitu laskea kinetiikkaa jarosiitin liukenemiselle. Simulointimallilla laskettiin yksi tapaus vertailukohdaksi, johon malliin tehtyjä muutoksia verrattiin. Mallilla tutkittiin konversiosta tulevan jarosiitin määrän vaikutusta, reaktorikoon merkitystä ja rikasteen liuotuksen sekä jarosiitin saostuksen reaktionopeuksien muutoksen vaikutuksia. Käytetyillä kineettisillä yhtälöillä reaktioiden todettiin tarvitsevan vain ¾ käytetystä reaktiotilavuudesta, rikasteen liuotusnopeuden kohtalaisen pienellä hidastamisen todettiin vähentävän sinkin saantoa ja jarosiitin saostuksen reaktionopeuden kasvulla todettiin myös olevan negatiivinen vaikutus sinkin saantoon. Simulointimallissa käytettyjen reaktionopeusyhtälöiden varmentaminen kokeilla todettiin tarpeelliseksi, sillä jo kohtalaisen pienillä muutoksilla havaittiin olevan merkitystä prosessin toimivuuteen. Lisäksi todettiin jarosiitin liukenemisen huomioimisen olevan tarpeen.