Modeling of a rotodynamic reactor

Abstract

Steam cracking is one of the most significant petrochemical processes, with products such as ethylene serving as some of the most important base chemicals. Unfortunately, steam cracking is also one of the most energy consuming and polluting processes in the entire chemical industry. The pressure towards decarbonization has resulted in immense interest towards the electrification of the steam cracking process, one significant example being the shockwave heating based RotoDynamic Reactor (RDR) being developed by Coolbrook.

In addition to providing a general overview of the steam cracking process and conventional steam cracking equipment, the literature review part of this thesis aimed to collect and classify examples of undergoing developments towards electric steam cracking. Relevant journal articles, patents, and industrial publications were collected and classified into a framework of types of electrification technology, with the key finding being that while other forms of electric heating may be appealing for upgrading existing equipment, shockwave heating has the potential to bypass many of the existing limitations of conventional cracking.

The applied part of the thesis focused on the task of importing state-of-the-art steam cracking kinetic models generated with RMG to Aspen Plus, with the eventual aim of modeling the RDR. The most significant part of the work covered creating a tool for translating RMG-generated kinetic models into Aspen Plus input files. Although the viability of the tool was limited by model convergence within Aspen Plus, ethane cracking with the RDR could be simulated at different residence times and severities, resulting in the desired characteristic temperature profiles of the RDR. Ultimately, product distributions observed for the RDR differed very little from the product distributions of conventional cracking coils.

Höyrykrakkaus lukeutuu petrokemian alan tärkeimpiin prosesseihin, mikä voidaan selittää höyrykrakkausprosessin tuotteiden tärkeällä asemalla kemianteollisuudessa. Perinteisille höyrykrakkausmenetelmille ominaisia ovat kuitenkin myös korkea energiankulutus ja merkittävät hiilidioksidipäästöt. Viimeaikainen suuntautuminen hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen on johtanut merkittävään teolliseen ja tutkimukselliseen kiinnostukseen höyrykrakkausprosessin vaatiman lämmityksen sähköistämisteknologioita kohtaan. Coolbrookin kehittämä rotodynaaminen reaktori (RDR) voidaan nähdä yhtenä merkittävimmistä höyrykrakkauksen sähköistämisvaihtoehdoista.

Tämän diplomityön kirjallisuusosa käsittelee höyrykrakkausprosessin perusteiden lisäksi erinäisiä höyrykrakkauksen sähköistämisvaihtoehtoja, joita luokiteltiin työssä sähköistämisteknologian viitekehyksen kautta. Kirjallisuusosaa varten kerätty materiaali koostui tutkimusartikkeleista, patenteista, ja petrokemian alan yritysten julkaisuista. Kirjallisuusosassa tehtyjen havaintojen perusteella eri sähkölämmitysmenetelmille voidaan nähdä erilaisia käyttötarkoituksia, mutta iskuaaltoihin perustuvien lämmitysmenetelmien (kuten RDR) ainutlaatuisena etuna on niiden kyky kiertää höyrykrakkausmenetelmille perusluonteisia rajoituksia.

Diplomityön kokeellinen osa käsittelee RMG-ohjelmalla luotujen edistyneiden höyrykrakkauksen kineettisten mallien viemistä Aspen Plus -prosessisimulaattoriin, jota varten kehitettiin malleja Aspen Plus -syöttökielelle kääntävä ohjelma. Laskennallisen konvergenssin saavuttaminen Aspen Plus -ohjelmistossa osoittautui suurimmaksi mallien käyttämistä rajoittavaksi tekijäksi, mutta RDR:n toimintaa kyettiin mallintamaan työssä yksinkertaistetusti etaanikrakkausmallia käyttäen. Simulaatiotuloksissa nähtiin odotuksia vastaava RDR:lle ominainen lämpötilaprofiili, mutta ei merkittävää eroa perinteisen etaanikrakkauksen tuotejakaumiin tai saantoihin.