Comparison on the usability and performance of Aspen Polymers® and Unism® Design for flowsheeting of HiPP

Abstract

Process simulation software are in use for the design, analysis, optimization, and development of different industries. Different simulation software packages are commercially available, and each has its advantages as well as its limitations. Even if such software are employed modelling and simulating chemical processes, it is still often demanding to simulate polymerization plants because of the complexity of polymerization processes. This thesis aims to build flowsheets for a High Impact polypropylene (HiPP) process based on Spheripol® technology (Spheripol Hi-Impact Polypropylene Model, 2017), on Aspen Polymers® and UniSim® Design. The thesis also investigates and compares the usability and performance of the two simulation software, as well as highlights findings on capabilities and possible limitations of the software.

HiPP process consists of a prepolymerizer, two slurry loop reactors and a gas phase reactor (GPR), all in series. A single feed of Ziegler-Natta catalyst to the prepolymerizer is used to polymerize the monomer in the various reactors. The prepolymerizer and slurry loop reactors are in liquid phase, while the GPR is in both liquid and gas phase. In addition to the reactors, the process also has other process equipment used to remove volatiles from the produced polymer. Besides these, there are also recycle streams in the flowsheet, which adds to the complexity of the process. The models built on Aspen Polymers® and UniSim® Design includes all main equipment. The same reaction kinetic parameters describing the polymerization reactions are employed in both software. The PC-SAFT equation of state thermodynamic model is used in both simulations to predict the polymer properties, as well as the equilibrium concentrations.

The results from the simulations show that both Aspen Polymers® and UniSim® Design can be used to describe the HiPP process. Both models also predict the various variables, such as HiPP production rate, polymer average molecular weights, density, etc. The Aspen Polymers® simulation solved in steady state, however, it required considerable effort to converge the model. There were challenges with converging the GPR and recycle streams, which required the use of flowsheet manipulators in order for the model to solve. Predominantly, the design specification block contributed significantly to the robustness and overall convergence of the Aspen Polymers® flowsheet. UniSim® Design flowsheet was rather solved as a dynamic model, since with the current work, the software did not find a steady state solution. Nevertheless, an advantage of the dynamic model is that the simulation is not dependent on user-defined flowsheet manipulators. However, the dynamic model required more process specifications, such as controller PID tuning and valve sizing.

Prosessisimulaatio-ohjelmistoja käytetään laajasti eri toimialoilla suunnitteluun, analysointiin, optimointiin ja kehittämiseen. Erilaisia simulaatio-ohjelmistopaketteja on kaupallisesti saatavana, ja jokaisella on omat etunsa ja rajoituksensa. Tällaisia ohjelmistoja käytetään esimerkiksi kemiallisten prosessien simulointiin ja mallintamiseen, mutta polymerointiprosessien simulointi on edelleen vaativaa polymerointiprosessien monimutkaisuuden vuoksi. Tämän diplomityön tarkoituksena on mallintaa ja simuloida Spheripol®-tekniikkaan (Spheripol Hi-Impact Polypropylene Model, 2017) perustuva High Impact Polypropylene (HiPP) prosessi Aspen Polymers®- ja UniSim® Design - ohjelmistoilla. Diplomityössä tutkitaan ja verrataan näiden simulointiohjelmistojen käytettävyyttä ja suorituskykyä sekä korostetaan havaintoja ohjelmiston ominaisuuksista ja mahdollisista rajoituksista HiPP prosessin mallinnuksessa.

HiPP-prosessi koostuu esipolymerointireaktorista, kahdesta lieteluuppireaktorista ja kaasufaasireaktorista, kaikki sarjassa. Ziegler-Natta-katalyytti syötetään esipolymerointireaktoriin, minkä jälkeen monomeerien polymerointi jatkuu kaikissa muissa reaktoreissa. Esipolymerointireaktori ja lieteluuppireaktorit ovat nestefaasissa, kun taas kaasufaasireaktori on sekä neste- että kaasufaasissa. Reaktorien lisäksi prosessissa on myös muita prosessilaitteita, joita käytetään haihtuvien aineiden poistamiseen tuotetusta polymeeristä. Näiden lisäksi simulaatiossa on myös kierrätysvirtoja, mikä monimutkaistaa prosessia. Tässä työssä rakennetut Aspen Polymers®- ja UniSim® Design simulointimallit sisältävät kaikki päälaitteet. HiPP polymerointireaktion mallinnuksessa käytettiin molemmissa simulaatioissa samoja reaktiokineettisiä parametreja. Polymeerin ominaisuuksien ja komponenttien tasapainopitoisuuksien ennustamiseen käytettiin PC-SAFT-yhtälö.

Simulaatioiden tulokset osoittavat, että sekä Aspen Polymers® että UniSim® Design onnistuivat mallintamaan HiPP-prosessia. Molemmat simulaatiot ennustavat myös erilaisia muuttujia, kuten tuotantomäärät, polymeerin keskimääräiset moolimassat, polymeerin tiheykset, jne. Aspen Polymers® simulaatio ratkaistiin steady-state mallina, mutta simulaation konvergenssi vaati kuitenkin huomattavasti työtä. Erityisen konvergenssi haasteita oli kaasufaasireaktorissa ja kierrätysvirroissa, jotka edellyttivät simulaation manipulaattoreiden käyttöä simulaation ratkaisemiseksi. Erityisesti Aspen® Polymers: n Design specification block vaikutti merkittävästi simulaation konvergenssiin ja stabiiliuteen. UniSim® Design simulaatio ratkaistiin pikemminkin dynaamisena mallina, koska nykyisessä työssä ohjelmisto ei löytänyt steady-state ratkaisua. Dynaamisen mallin etuna on kuitenkin se, että simulaatio ei ole riippuvainen käyttäjän määrittämistä simulaation manipulaattoreista simulointilohkojen konvergoimiseksi. Dynaaminen malli vaati kuitenkin lisää prosessimäärityksiä, kuten venttiilien mitoituksia ja PID-säädimen viritystä.