Øving 12 TKP

Transkript

1 Øving

2 i Innhold Oppgave 1 1 a) Simulering 1 b) Estimering av størrelse på varmevekslere og separator og kompressoreffekt 1 Estimering av størrelse på varmeveksler E Estimering av størrelse på kondensatoren 2 Estimering av størrelse på separator V Kompressoreffekt 3 Oppgave 2 4 a) Kostnadsestimering på utstyr 4 Separator 4 Varmevekslere 4 Kompressorer 4 Reaktor 4 Totale kostnader 5 b) Total investering 5 c) Årlig drift 5 Inntekter 5 Utgifter 6 Totalt 6 d) Internrente 6 e) Lønnsomhet ved økning av reaktorstørrelse 6 Kilder 8 Vedlegg A Workbook fra UNISIM 1

3 1 Oppgave 1 Figur 1: Prosessflytdiagram a) Simulering Synteseloopen, vist i Figur 1, ble simulert i UNISIM. En utskrift av workbook fra UNISIM er lagt ved i vedlegg A. Avviket i massebalansen ble funnet til å være 4.8 kg/h. Dette oppfyller kravet til massebalansen gitt i oppgaven. b) Estimering av størrelse på varmevekslere og separator og kompressoreffekt Estimering av størrelse på varmeveksler E-101 Figur 2: Temperatur-entalpi-diagram for varmeveksler E-101. Antall trinn på den sorte linjen angir hvor mange skal som bør brukes i serie. I dette tilfellet er det fire.

4 2 I simuleringen kom det frem at varmeveksler E-101 hadde lav -faktor. Det ble derfor benyttet skall i serie, og UNISIM kom frem til at 4 skall i serie var nødvendig for å oppnå en tilstrekkelig -faktor. Dette stemmer overens med Figur 2. Det varmevekslende arealet ble beregnet ved å hente ut fra UNISIM og fra oppgaveteksten. Dermed blir det varmevekslende arealet per skall. Estimering av størrelse på kondensatoren Figur 3: Temperatur-entalpi-diagram for kondensatoren. Antall trinn på den sorte linjen angir hvor mange skall som bør brukes i serie. I dette tilfellet er det fire. I simuleringen kom det frem at kondensator hadde lav -faktor. Det ble derfor benyttet skall i serie, og UNISIM kom frem til at 4 skall i serie var nødvendig for å oppnå en tilstrekkelig - faktor. Dette stemmer overens med Figur 3. Det varmevekslende arealet ble beregnet ved å hente ut fra UNISIM og fra oppgaveteksten. Dermed blir det varmevekslende arealet per skall. Estimering av størrelse på separator V-101 Damp-væske-forholdet til separatoren er svært høyt, og en vertikal separator er derfor anbefalt, likning [1] er derfor benyttet. Her er og henholdsvis tettheten til væske- og gassfasen hentet fra UNISIM, er settlingshastigheten. Denne hastigheten kan videre brukes i likning [1].

5 3 Her er det antatt at separatoren har dimister pad slik at slik at væsken får høy settlingshastighet. I likningen overfor er den volumetriske gasstrømmen, hentet fra UNISIM. Videre er det antatt at væskeoppholdstiden er 10 min. Det totale væskevolumet i separatoren blir da Her er den volumetriske væskestrømmen, hentet fra UNISIM. Ved hjelp av kan væskehøyden i separatoren beregnes. Med bakgrunn i Figur [1] blir den totale høyden Kompressoreffekt I Figur 1 vises det to kompressorer, C-101 og C-102. I UNISIM ble den adiabatiske kompressoreffekten satt til 0.85, og effekten på hver av kompressoren ble lest av til å være henholdsvis 10.7 MW og 461 kw.

6 4 Oppgave 2 a) Kostnadsestimering på utstyr Alle kostnadene er justert ved hjelp av CEPCI til jan [2]. Kostnadene er oppgitt et basis fra US Gulf Coast, og alle formler er hentet fra tabell 6.6 [1] om ikke annet er oppgitt. Separator Et estimat for kostnaden til separatoren er utført i Tabell 1. Her er det antatt at separatoren kan ses på som en solid sylinder med flat topp og bunn, uttrykket for "vertical, 304 ss pressure vessel" er benyttet. Tabell 1: Estimering av kostnaden til separatoren. Formelen for kostnad er hentet i tabell 6.6 [1], kostnadsindeksen er justert til jan [2] Formel Verdi tettheten til separatoren tykkelsen til separatoren ytre diameter volumet til veggen ( ) volumet til topp og bunn totalt volum total masse C kostnad ( ) Varmevekslere For varmevekslerene er formelen "U-tube shell and tube exchanger" benyttet ( ) (1) Her er arealet til varmeveksleren. Denne formelen gjelder for varmevekslere med areal mellom og. Arealet til kondensatorene ligger utenfor dette intervallet, men det er allikevel antatt at formelen gir et godt nok estimat. Prisen for hvert skall for E-101 blir dermed Og den totale kostnaden til varmeveksler E-101 blir kondensatoren og.. Tilsvarende for Kompressorer Kostnadene til kompressorene er beregnet for "centrifugal compressor", oppgitt til å være ( ) (2) hvor er effekten til kompressoren i kw. Dette gir prisen på makeup-gass-kompressoren og resirkuleringskompressoren som henholdsvis og. Reaktor Formelen for kostnaden til reaktoren er oppgitt i oppgaveteksten

7 5 ( ) (3) Her er volumet av katalysator i reaktoren. Katalysatorvolumet er gitt som ( ) (4) hvor er voidfraksjonen, og er totalvolumet til reaktoren. er oppgitt til å være 0.45, og er hentet fra UNISIM. som gir og en kostnad på. Totale kostnader Den totale kostnaden for de ovennevnte enhetene blir dermed $ , gitt at alle enhetene bortsett fra separatoren er i karbonstål. Dette kan omregnes til 304 rustfritt stål ved å multiplisere kostnaden med en faktor på 1.3. Dette er gjort i oppgave 2b). b) Total investering For å beregne den totale investeringen er tabell 6.4, tabell 6.5 og likning 6.14 [1] benyttet. Alle enhetene fra oppgave 2a) som ikke var beregnet med 304 rustfritt stål fikk en -verdi på, mens separatorkostnadene ble beregnet med. De øvrige verdiene er listet i Tabell 2. Det ble valgt å bruke 304 rustfritt stål for å minimalisere rustdannelse, noe som er viktig over en 20 års periode [1]. Tabell 2: Faktorene brukt i likning (5) Parameter Verdi Offsites (OS) 0.3 Design and Engineering (D&E) 0.3 Contingency (X) 0.1 ( )( ) [( ) ] (5) Dette ga en total investering på $ c) Årlig drift Inntekter Mengde og pris av hvert produkt er hentet fra UNISIM og oppgaveteksten og oppsummert i Tabell 3. Mengde MP Vanndamp er beregnet fra Her er varmestrålingen fra reaktoren, er massestrømmen av vann som fordampes ved (det er antatt at dette er kokepunktet ved gitt trykk slik reaktoren kjøles med kokende vann og all varmen fra reaktoren går til å fordampe vannet.). er hentet fra [3].

8 6 Tabell 3: Mengde og pris av hvert produkt. Produkt Mengde Pris MP Vanndamp Avtapp Råmetanol Totalt Utgifter Mengde og pris av hver utgift er hentet fra UNISIM og oppgaveteksten og oppsummert i Tabell 4. Lønnen er beregnet med bakgrunn i data fra Statistisk Sentralbyrå. Alt arbeid med unntak av operatørene er neglisjert, og driftstiden er antatt å være 8000 timer i året. Tabell 4: Mengde og pris av hver utgift. Produkt Mengde Pris Strøm Syntesegass Lønn [4] Totalt Totalt Sammenlagt blir dette en årlig inntekt på $ d) Internrente Internrenten ble beregnet ved hjelp av Excel-ark for beregning av internrente, utdelt til Øving 10 i faget gjennom itslearning. Internrenten ble der funnet til å være 48.7 %. Dette er veldig høyt, noe som antyder at estimatene gjort i oppgave 2a), 2b) og 2c) er feil. En faktor som spiller en særlig rolle er lønnsutgiftene, hvor det bare er tatt hensyn til operatørene. Alt vedlikeholdsarbeid er neglisjert, hvor særlig utskifting av katalysator vil være en stor utgiftspost. e) Lønnsomhet ved økning av reaktorstørrelse Oppgave 1a), 1b), 2a), 2b), 2c) og 2d) ble gjentatt med en økning i reaktorstørrelsen på 20 %. Reaktorstørrelsen ble økt ved å innføre 20 % flere rør. De nye resultatene er oppsummert i Tabell 5. Tabell 5: Resultater med 20 % større reaktor. Størrelse Verdi Indre diameter på V-101 Høyde på V-101 Areal av E-101 Areal av kondensator Effekt på makeup-gass-kompressor Effekt på resirkulasjonskompressor Kostnad av V-101 (vertikal, 304 ss) $ Kostnad av E-101 (U-tube shell and tube) Kostnad av kondensator (U-tube shell and tube) Makeup-gass-kompressor (centrifugal) Resirkuleringskompressor (centrifugal) Reaktor Kostnader totalt

9 7 Årlige inntekter Årlige utgifter Totalt årlig Dette gir en internrente på 46.8 %, noe som er lavere enn den originale reaktoren, det vil dermed ikke være lønnsomt å øke reaktorstørrelsen med 20 %.

10 8 Kilder [1] R. Sinnott og G. Towler, Chemical Engineering Design, [2] «Economic Indicators,» Chemical Engineering, vol. 120, nr. 4, p. 72, [3] M. D. Koretsky, Engineering and Chemical Thermodynamics, John Wiley & Sons, [4] Statistisk sentralbyrå, «Lønn for ansatte i industri - SSB,» 22 Januar [Internett]. Available: [Funnet 30 April 2013].

11 A-1 Vedlegg A Workbook fra UNISIM Tabell 6: Workbook fra UNISIM, strømmer. Strøm # Cold Water Hot Water [ ] [ ] Tabell 7: Workbook fra UNISIM, duties. Duty C-101 C-102 R-101 [ ] Tabell 8: Workbook fra UNISIM, unit operations. Operation Name Operation Type Feeds Products Ignored Calc Level 1 2 No 500 C-101 Duty 9 10 No 500 C-102 Duty 5 6 No Condenser C-101 Compressor 7 No 500 Hot Water R-101 C-102 Compressor 5 No 500 R-101 Duty Recycle Mix E-101 Heat Exchanger 3 No 500 V-101 Separator 7 12 No 500 8

12 A-2 Split Tee 8 9 No Recycle Recycle No 3500 Adjust RR Adjust No 3500 RR Spreadsheet No 500 MB Spreadsheet No 500