TEP 4230 Energi og Prosessteknikk Oppsummering TEP 4230 Energi og Prosessteknikk Rune Hoggen 1

Produksjonssystemer Definisjon av en industriell prosess Typiske elementer i en prosess Reaksjon, Separasjon, Miksing (blanding) Varmeoverføring, Kompresjon, Ekspansjon Energibruk i industrien Statistikk Forbruk og kvalitet Energiformer Kjemisk energi Faktorer som påvirker spesifikt energiforbruk Hvor / hvorfor / hvordan brukes energi? Modeller for energiregnskap Detaljert gjennomgang av noen utvalgte produksjonskjeder Fra naturgass til mineralgjødsel Fra bauxitt til aluminium Fra skogen til frokostbordet Fra råolje til bensin Oversikt over emner innenfor produksjonssystemer Def.: Hvordan vi kan si at en prosess er en omformer Elementer: Kjemisk reaksjon Behov for separasjon, kanskje også blanding Varme skal flyttes og helst på en fornuftig måte Trykkøkning ofte nødvendig for å få til en reaksjon, må ekspandere (redusere trykk) etterpå Energibruk Stat: Kilder til Statistikk, hvilke energikilder vi har, hvordan energiforbruket fordeler seg på ulike bransjer, utviklingen. Går det egentlig an å si energiforbruk? Litt om ulike former for energi, spesielt kjemisk Ulike ting som gjør at energiforbruket er høyt eller kanskje lavt? Modeller for energiregnskap: Fordeler og ulemper med forskjellige modeller Hvorfor Hydro har utviklet sin egen modell Hvordan naturgass blir gjødsel, spesielt hvordan naturgass blir ammoniakk (en viktig del av gjødselproduksjonen) Aluminium er en av de viktigste industriene i landet Treforedlingsindustrien, lager avispapir Olje en annen ganske vesentlig en... Rune Hoggen 2

Prosess som omformer Energi Material Mekanisk Energi K E Damp HP MP LP Kulde Damp HP MP LP Kulde Energi Material Materialstrømmen er motivasjonen. Vil lage et fornuftig produkt. Krever råvarer Får gjerne et biprodukt Energi må til for at ting skal skje. Energi kan tilføres prosessen i form av varme (damp ved forskjellige trykk), kulde, mekanisk (kompressorer, vifter, transportbånd) Tilsvarende energiformer må også fjernes fra prosessen. Enkelte reaksjoner er sterkt eksoterme, slik at varme må fjernes fra prosessen (eks. Ammoniakk-syntesen) Råvare(r) Produkt(er) Biprodukt(er) Rune Hoggen 3

Faktorer som påvirker spesifikt energiforbruk (I) Valg av ”kjemi” (prosess-syntese) Alternative råvarer og produkter Alternative mellomprodukter (såkalte reaksjonsveier) Dannelsesvarme teoretisk minimum Valg / Utvikling av ny teknologi Membraner eller absorpsjon Nye katalysatorer Søderberg eller ”Prebaked”-anoder? Damp-reformering innen ammoniakk Kjemi: Er det mulig å komme fram til de samme produktene ved hjelp av andre råvarer? Vil en annen produksjonsvei gi lavere energiforbruk? Evt. andre fordeler? Dannelsesvarme gir svært optimistiske tall Utvikling av ny teknologi Separasjon ved hjelp av membraner eller absorpsjon Søderberg eller ”prebaked” er måter å tilføre nytt anodemateriale i aluminiumsproduksjonen Overgang fra vannelektrolyse til dampreformering, Ammoniakk som eksempel neste side Rune Hoggen 4

Faktorer som påvirker spesifikt energiforbruk (II) Lokalisering Infrastruktur som gir synergier Klima (luft og kjølevann) Transportavstander Prosessdesign Parametre for hvert prosesstrinn Sammenkobling av prosesstrinnene Varmeintegrasjon mellom trinnene Varme- / Kraftsystemer Lokalisering Infrasturktur; veier, strøm, avløp? Klima; stort behov for å bli kvitt varme? Stabil sjøvannstemp? Transportavstander, eks meieriet på Frya. Hvert prosesstrinn består av utstyr som: Varmeveksler Reaktor Kompressor Destillasjonskolloner Hvordan er trinnene koblet sammen? Vil alternative måter være mer lønnsomme? Varmeintegrasjon: Prosesstrømmer som tar opp og avgir varme rundt i anlegget Eksempel Termotite Varme-/kraftsystemer: Gasskraftverket som Norske Skog vil ha på Skogn, gassturbinen på oljeplatform Varmeintegrasjon, se neste side Rune Hoggen 5

Faktorer som påvirker spesifikt energiforbruk (III) Drift av anleggene Gode reguleringssystemer On-line optimalisering Vedlikehold Rengjøring av varmevekslere Generelle preventive tiltak Prismekanismer Priser på utstyr / energi Statlige avgifter (f.eks. CO2-avgiften) Drift: Ofte store muligheter til å regulere anlegget, viktig at dette blir gjort riktig On-line optimalisering: Anlegget reguleres inn og optimaliseres under drift. Gir både økt produksjon og redusert energiforbruk Vedlikehold: Varmevekslere blir skitne og dermed overføres mindre varme, mer tapes til omgivelsene Generelle tiltak: Hold ting rent, overhaling av elektriske anlegg Prismekanismer: Spanderer man dyrere utstyr kan det være med på å spare energi, eks vp CO2-avgiften fører til at anlegget totalt krever mer energi fordi CO2 må fjernes. Pause Rune Hoggen 6

Fysikalsk og kjemisk likevekt Termodynamisk grunnlag for likevekt Multikomponent og multifase systemer Kjemisk potensial Gibbs faseregel Fugasitet Tilstandsligninger Ideell gasslov Van der Waals ligning Redlich-Kwong Formalisering av kjemiske reaksjoner Matriser! 8 timer forelesning rundt temaet Rune Hoggen 7

Termodynamisk grunnlag for likevekt (IV) Kombinasjonen av 1. og 2. Gir den fundamentale egenskapsrelasjonen: Består kun av variable som er uavhengig av veien fra punkt 1 til 2. Uavhengig av reversibilitet! Merk: For å komme fram til ligningen er det gjort antagelser om reversiblitet Ligningen består kun av variable som er uavhengig av veien. Den gjelder derfor alltid, uavhengig av reversibilitet! Rune Hoggen 8

Likevekt Ved likevekt vil tilstandsvariable og tilstandsfunksjoner være konstante dS = 0 Innsatt i den fundamentale egenskapsrelasjonen: Tilstandsvariable konstante Konstant trykk Konstant temperatur Konstant volum Sikret likevekt??? Tilstandsfunksjoner konstante dh = 0 du = 0 ds = 0 Vi ser på et eksempel! Rune Hoggen 9

Eksempel (I) En sylinder med to kamre. Godt isolert, sylinderen glir tilnærmet friksjonsfritt Hva er situasjonen ved likevekt? Rune Hoggen 10

Gibbs Faseregel (I) Frihetsgrader Uavhengige variable: Antallet ubestemte variable Mulighet til å regulere systemet Ingen frihetsgrader, låst trykk og temperatur Differansen mellom antallet uavhengige variable og antallet ligninger. Uavhengige variable: Molfraksjoner i hver fase: (nc – 1) For alle p faser: p(nc – 1) Trykk og temperatur Totalt antal uavhengige variable: 2 + p(nc – 1) Ligning med flere løsninger har frihetsgrader Hvis en variable settes og det gir ligningen 1 løsning vil det si at systemet hadde 1 frihetsgrad i utgangspunktet For oss som løser ligninger er det best når systemet har bare en løsning, enklere I industrien vil vi gjerne ha flere mulige løsninger slik at systemet kan reguleres Antallet frihetsgrader finnes ved hjelp av Gibbs Faseregel (typisk eksamensoppgave!) Uavhengige variable Hver komponent har en ukjent molfraksjon (moltall) i hver fase. Den siste finnes ved hjelp av de andre og er altså ikke uavhengig Det vil si nc – 1 uavhengige variable Disse variablene finnes i hver fase I tillegg har vi trykk og temperatur som uavhengige variable Rune Hoggen 11

Gibbs Faseregel (II) Ligninger (likevektsligningene) Antallet ligninger: nc(p - 1) Antallet frihetsgrader: Likevektsligningene For hver komponent må de kjemiske potensialene være lik i alle fasene Når alle kjemiske potensial er funnet bortsett fra den siste fasen finnes denne ved hjelp av de andre fasene og gir derfor ikke flere uavhengige ligninger Altså pi – 1 ligninger for hver komponent Multipliseres med antallet komponenter Rune Hoggen 12

Tilstandsligninger generelt (II) Hva prøver ligningene å beskrive? Hva skjer når... Gass komprimeres ved konstant temperatur Til duggpunktet Gjennom tofaseområdet Ut i væskeområdet Bør følge en isoterm Vanskelig å følge en isoterm, spesielt i knekkpunktene Ligninger av 3.grad (minst...) Rune Hoggen 13

Ideell gasslov Begrenset gyldighetsområde Enkel ligning PR < 0,05 TR > 15 Enkel ligning Uavhengig av stoff OBS! Benevning! R er avhengig av stoff hvis ligningen skal brukes på massebasis og ikke molbasis Gjelder for ideelle gasser Hva er en ideell gass? Alle gasser kan være ideelle. Avhengig av trykk eller temperatur (en må oppfylle kravet) Kravet er avhengig av gassen (verdier for kritisk punkt) Generelt krav: Pr < 0,05 Pr = P/Pc Tr > 15 Tr = T/Tc Eksempel: Luft. Pc = 37,7 bar Tc = 133 K Ideell gass når enten: Trykket er under 1,9 bar Temperaturen er over 1995 K Rune Hoggen 14

Van der Waals ligning (I) Den første kubiske tilstandsligningen som kom Mye bedre enn ideell gasslov, men likevel ikke helt god. Illustrert ved at kompressibiliteten i kritisk punkt er konstant, uavhengig av stoff. Populær fordi den er relativt enkel Volum går mot uendelig -> ideell gass a = b = 0 => Ideell gass A: Tiltrekningskrefter mellom molekyler (gravitasjon) B: Molekylene tar selv opp volum Zc er beregnes på øving 6. 0,375. Vanligvis ligger verdien mellom 0,23 og 0,29. Eksplisitt i trykk (som vanlig er) Kompressibilitetsfaktoren Allerede her en løsning som kan settes inn i ligningen for fugasitetskoeffisienten Må partiellderivere med hensyn på ni. Merk at disse ligningene kun er satt opp for et stoff, altså ni = n. Rune Hoggen 15

Soave-Redlich-Kwong (I) Stort gjennombrudd! Kan nemlig beskrive tilstanden ved høye trykk Temperaturen er inne i a (som ikke lenger er konstant) Stort gjennombrudd (1971) ”Konstanten” a er blitt avhengig av temperaturen Gjelder for høye trykk og spesielt i hydrokarbonsystemer (der pengene ligger...) Husk ideell gass (Pr < 0,05) Rune Hoggen 16

Kjemiske reaksjoner på matriseform (I) Grunnlag for kjemisk likevekt System bestående av vektorer og matriser Egner seg spesielt for systemer med flere reaksjoner Skal i stor grad se på et konkret eksempel Dampreformering av naturgass Rune Hoggen 17

Kjemiske reaksjoner på matriseform (III) Definerer komponentvektor: Definerer en matrise av støkiometriske koeffisienter: N(transponert) Hvorfor? Får også bruk for N (hvilken som har fått T’en er helt tilfeldig) Notasjon: Strek under bokstav betyr matrise eller vektor Rune Hoggen 18

Industrielle termiske prosesser Termodynamisk grunnlag for sykliske prosesser pvt-flate Andre diagrammer Prosessveier Termodynamisk gjennomsnittstemperatur Prosess-sykluser Termisk kraftproduksjon Gass Damp Varmepumpende prosesser CO2 LNG Rune Hoggen 19

Termodynamisk grunnlag p T v fast + væske væske fast C pv = k T V = k gass+ væske gass I likevekt vil tilstanden være på overflaten Venstre: Inkompressibel Midten: Rent stoff som trekker seg sammen ved frysing (ikke vann) I områder som kun består av en fase vil tilstanden være bestemt når to variable er bestemt (T og V, T og P, eller V og P) I to-faseområdene er ikke trykk og temperatur uavhengige, vet man trykk vet man også temperatur uavhengig av volumet Må kjenne volumet for å bestemme tilstanden i tillegg til trykk eller temperatur I to-faseområdene skjer en faseovergang, f.eks. smelting, fordamping, sublimasjon, kondensasjon, frysing Tre faser i likevekt langs trippelinja Metningslinjer Skillelinjer mellom en-fase og to-fase-områder Kritisk punkt Møtet mellom mettet væske og mettet gass Hva skjer over kritisk punkt? Høyre: Ideell gasslov pv/T = konstant Overflatene gir det totale bildet, men er vanskelig å jobbe med Bruker 2-dimensjonale diagrammer TL fast + gass Rune Hoggen 20

Termodynamiske sykluser Rune Hoggen 21

Carnot syklus varmekraft Varmekraftmaskin Hva bør TmL og TmH være for at den termiske effektiviteten skal bli best mulig? Hvilke muligheter er det for å øke TmH Høyere temperatur i brennkammer Materialbegrensninger (1400 K) Hvilke muligheter for å redusere TmL Begrenset ofte til omgivelsene (luft/sjø el.l.) Rune Hoggen 22

Gassturbin (Brayton) 1-2: Luft suges inn i kompressoren og komprimeres til høyere trykk. Isentropisk kompresjon ville ført til punkt 2’, men tap i kompresjonsprosessen fører til at utløpet bli i punkt 2. 2-3: Brensel tillføres og brennes i brennkammeret. Temperaturen øker. 3-4: Luften ekspanderer over turbinen, og arbeid taes ut ved at en aksling roterer. Igjen er ikke prosessen isentropisk på grunn av tap. Deler av effekten fra turbinen brukes til å drive kompressoren. OBS! Eksosen slippes rett ut og resirkuleres ikke selv om det ser sånn ut i TS-diagrammet Se TS-diagrammet i en større sammenheng, klikk på diagrammet. Rune Hoggen 23

Dampkraft Dampturbin, kan ikke har mye dråper, grensen settes på x=0,9. I praksis gir det ca. 20 bars trykk. Årsak: Dråper eroderer bladene på turbinen. Hva begrenser temperaturen? Materialer Grense: 600°C Rune Hoggen 24

Varmepumpende prosesser Kuldeanlegg Rune Hoggen 25

2-trinnsanlegg Ta et beregningseksempel på tavla Rune Hoggen 26

CO2 TS-diagram for superkritisk prosess Rune Hoggen 27 Her er det fordel med suggassvarmeveksler! Rune Hoggen 27

LNG Snøhvit Flytendegjøring av naturgass LNG -155 °C 1.4 bar 45 bar Methane Ethylene Propane Rune Hoggen 28

Separasjon Bruksområder Prosessfaktorer Forskjellige fordampere Ett til flere trinn Varmeovergang og varmeballanser Trykk og temperatur Kokepunktsforhøyelse Entalpi – Konsentrasjon Beregningseksempel Hva brukes separasjon til? Rune Hoggen 29

Bruksområder Inndampere Kan også være vanndampen som er interessant Fjerner damp fra en væske slik at konsentrasjonen øker Sukker Salt Glyserol Lim Melk Appelsinjuice Kan også være vanndampen som er interessant Avsalting av sjøvann Rune Hoggen 30

Forskjellige fordampere Horisontale rør, naturlig sirkulasjon Varme tilføres ved kondesering av damp Anordning for å hidre dråper Brukes for væsker: med lav viskositet god varmeoverføring Som ikke legger igjen skitt på rørene, denne er vanskelig å vaske Rune Hoggen 31

Varme og masseballanse Total materialballanse: F = V + L Material ballanse for fast stoff: FxF = LxL Forklar strømmer inn og ut, med parametre Rune Hoggen 32

Varme og masseballanse Varmeballanse: Varme inn = varme ut FhF + SHS = LhL + VHV + SHS Setter inn fordampingsvarmen: FhF + Sl = LhL + VHV Fordampingsvarme finnes i tabeller Problem: Finne entalpier i føde og konsentrat Varmekapasiteter hvis disse er kjent Eksempel 8.4-1 Pause Rune Hoggen 33

Forward feed multi effect evaporator Single effekt fordamper kaster damp ut i lufta Her benyttes dampen fra fordamperen til å fordampe vann i neste trinn Med føde nære kokepunktet i første trinn: 1 kg damp fordamper 1 kg vann Med tre trinn vil 1 kg damp kunne fordampe 3 kg vann (osv for enda flere trinn) Føde/produkt-strømmen går samme vei som dampen, brukes hvis: Føden er varm??? Produktet er sensitivt til høye temperaturer Temperaturen på dampen inn i første fordamper må være høyere enn T1. Videre må T1 være høyere enn T2. For å få vann til å koke av i den andre fordamperen må koketemperaturen i den andre fordamperen være lavere enn den første! Hvordan? Lavere trykk Hvis atmosfærisk trykk i første fordamper: Vakum i siste Rune Hoggen 34

Destillasjon Separere komponenter i en væske Komponentene har ulikt kokepunkt Alle komponenter er i begge faser I motsetning til inndamping der det kun er væske i gassfasen Flash-separasjon Kolonne Før skulle konsentrasjonen økes av et/flere stoffer i en vandig løsning Nå skal to komponenter med ulikt kokepunkt skilles Rune Hoggen 35

Destillasjonsmetoder Føde inn i form av væske eller damp Platene gir god kontakt Gass som forlater et trinn er i likevekt (ideelt) med væska som forlater trinnet Konsentrasjonene til væske og gass ligger derfor på likevektslinja Forsterker Delen over fødepunktet Her blir konsentrasjonen av flyktigste komponent større Avdriver Delen under fødepunktet Mesteparten av den flyktigste komponenten blir revet av fra væska Kondensator Dampen kondenseres, og noe ledes tilbake i kolonna Øker renheten til produktet Koker En strøm taes ut av bunnproduktet og kokes opp Reduserer tapet av flyktigste komponent Vi skal etterhvert finne ut hvor mange trinn som kreves, og på hvilket trinn føden skal inn Rune Hoggen 36

McCabe-Thiele Beregner antall trinn N = 6 Føden: 3 Rune Hoggen 37 Overgang mellom forsterker og avriver, vertikalt for kryssningspunktet Rune Hoggen 37

Prosessintegrasjon Målverdier for minimum energiforbruk Kun basert på oppvarmings / avkjølingsbehov Før design av selve varmevekslernettverket Økonomiske “Trade-offs” Driftskostnader (energi) vs. investeringer Basis-konsepter innen “Pinch-analyser” Enkle regler for “korrekt” integrasjon Varmevekslernettverk Destillasjonskolonner og inndampere Varmepumper og turbiner Gir minimum energiforbruk, basert på Behov for oppvarming Behov for avkjøling Finner behovene før nettverket er designet Tidligere måtte man velge et par case og så beregne de nøyaktig for å så å finne ut hvilken som var best. Man ville ikke få vite om det var mulig å gjøre det enda bedre... Nå finnes minimum behov og antall enheter før desigprosessen har startet Rune Hoggen 38

Faser i varmeintegrasjon Dataekstraksjon Målsetting / “Targets” Energi, Areal, Enheter / Skall Totale årlige Kostnader (gir DTmin) Prosess-modifikasjoner? Design av Nettverk (minimum energi) Dekomponering ved Pinch Kvalitative og Kvantitative Verktøy Optimalisering (gitt basis-struktur) Løkker og Stier samt Strøm-split Fire faser Fase 1: Viktigste og mest tidkrevende: Dataekstraksjon Fase 2: Finne verdi på delta T, finne ut hvilke størrelser som skal finnes og optimaliseres Fase 3: Designe nettverk ved hjelp av composit curves Fase 4: Optimalisere nettverket ut fra en gitt struktur Ta hensyn til ulike krav (varmeveksling mellom to strømmer kan være uaktuelt pga forurensnigner f.eks.) Rune Hoggen 39

Varmeintegrasjon med samlekurver 2000 4000 6000 300 250 200 150 100 50 T (°C) Q (kW) QH,min QC,min Pinch QRecovery Tmin NB: Kolonnens koker/kondensator er ikke inkludert her Rune Hoggen 40

Trade-off: Areal vs Energi 300 250 200 150 100 50 Q (kW) 2000 4000 6000 QH,min QC,min + Rune Hoggen 41

Pinchpunkt og dekomponering QH,min+ QC,min+  300 250 200 150 100 50 Q (kW) 2000 4000 6000 Overskudd Underskudd Rune Hoggen 42

Varmekaskaden DTmin = 20°C Rune Hoggen 43 ST H1 C2 C1 H2 CW 720 kW + 720 + 400 440 kW 400 kW 360 kW - 1200 720 kW 800 kW 2000 kW 180 kW - 520 C1 C2 500 kW 200 kW 220C - - - - - - - 200C 180C - - - - - - - 160C H2 880 kW 160C - - - - - - - 140C + 180 1980 kW 1800 kW 70C - - - - - - - - 50C + 220 220 kW 60C - - - - - - - - 40C DTmin = 20°C CW Rune Hoggen 43

Valg av hjelpesystem Men: Husk Areal-kostnadene !! Forbruk: HP: 400 kW T (°C) HP 250 Forbruk: HP: 400 kW MP: 600 kW CW: 600 kW Produksjon: LP: 200 kW Energi kostnad: 166,000 $/yr MP 200 Alternativt: HP: 1000 kW CW: 800 kW Energi kostnad: 216,000 $/yr 150 LP 100 50 CW Q (kW) 500 1500 Men: Husk Areal-kostnadene !! Rune Hoggen 44

Grafiske metoder for destillasjonskolonner 300 250 200 150 100 50 T (°C) Q (kW) 500 1500 QH,min QC,min Kolonnens Data: QR = QC = 2000 kW TReb = 220°C TCon = 130°C I Grand Composite: TReb’ = 230°C TCon’ = 120°C 2000 1000 QR QC Rune Hoggen 45

Minimum antall enheter Eulers regel: U = N – 1 Ved dekomponering rundt pinch blir det ett nettverk over og ett under pinch. Umin = (N – 1) over + (N – 1)under For vårt eksempel: Umin = (4 – 1) over + (3 – 1)under = 5 Rune Hoggen 46

Til slutt Spørretime Eksamen Lykke til! Fredag 2.desember kl. 14.15 i S8 Ellers: Hver arbeidsdag fra 08.00 til 16.00 på rom 516 i VTL Krisetelefon: 917 28 567 Eksamen Lørdag 3.desember kl. 09.00 i Nidarøhallen Hjelpemidler: Kun kalkulator Sensur: 24.desember Lykke til! Rune Hoggen 47

Rune Hoggen 48