Process operability studies applying dynamic simulation

No Thumbnail Available

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Helsinki University of Technology | Diplomityö
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author

Authors

Date

2004

Department

Kemian tekniikan osasto

Major/Subject

Tehdassuunnittelu

Mcode

Kem-107

Degree programme

Language

en

Pages

vi + 74 s. + liitt. 24

Series

Abstract

The aim of this thesis was to study the possibilities of dynamic simulation in process industry. Dynamic simulation enables the study of the behaviour of the process in transient conditions. Dynamic simulation can be used during the whole life cycle of the process, from the early design phase to the process optimization phase. In the literature part of this work the applications of the dynamic simulation were presented in process design, in process safety and as a process operability aid. In process design the different process alternatives can be evaluated and different control strategies compared in order to reach the optimal operation of the process. In process safety studies the way to prepare for process upsets and how to act on these situations can be studied. A consistent and an optimal way to operate a process can be reached by training the operators with a dynamic simulator. Dynamic simulation also enables the study of the interactions between different process variables. This way the understanding of the behaviour of the process can be increased. The experimental part of the work deals with the production process of an organic chemical. The steady-state simulations of the experimental part were carried out with Aspen Plus -simulation program. The dynamic model of the process was done with the Aspen Dynamics -simulation program. In Aspen Dynamics the control system of the process was added to the steady-state model of the process and the controllers of the process were tuned to correspond to the operation of the actual process. The simulation models include two distillation columns that are highly integrated with each other. The first step in the experimental part of the work was to study the interactions between different process variables. Based on these studies an optimal way to operate the process in two different capacities was tried to be found. With the help of the dynamic simulation it was possible to create an operation policy that optimizes the production of the process. It was noticed from the simulations that the total capacity of the process does not influence on the operation way of the process. The control of the other column is based on the temperature difference between the bottom and the top stages. With this type of a control strategy it is difficult to control the column in transient circumstances. Therefore new control strategies, which could reach all the process objectives, were studied. Three different solutions for the new control strategy were developed and each of them can be used, when the column is operated in transient circumstances.

Tämän työn tarkoituksena oli tutkia dynaamisen simuloinnin käyttömahdollisuuksia prosessiteollisuudessa. Dynaaminen simulointi mahdollistaa prosessien käyttäytymisen tutkimisen muuttuvissa olosuhteissa. Dynaamista simulointia voidaan käyttää hyväksi koko prosessin elinkaaren aikana, aina suunnitteluvaiheesta prosessin toiminnan optimointiin asti. Työn kirjallisuusosassa käsitellään dynaamisen simuloinnin käyttömahdollisuuksia prosessien suunnittelussa, turvallisuustarkasteluissa ja operoinnin parantamisen apuvälineenä. Prosessien suunnittelussa eri prosessivaihtoehtoja voidaan arvioida keskenään ja eri säätöstrategioita vertailla prosessin optimaalisen toiminnan saavuttamiseksi. Turvallisuustarkasteluissa voidaan tutkia miten erilaisiin prosessin häiriötilanteisiin tulisi varautua ja miten niissä tulisi toimia. Yhtenäinen ja optimaalinen prosessin operointitapa on mahdollista saavuttaa kouluttamalla operaattoreita dynaamisen simulaattorin avulla. Dynaaminen simulointi mahdollistaa myös prosessin eri muuttujien vuorovaikutusten tutkimisen. Tämän avulla voidaan lisätä ymmärtämystä prosessien käyttäytymisestä. Kokeellinen osa käsittelee erään orgaanisen kemikaalin valmistusta. Kokeellisen osan staattiset simuloinnit on toteutettu Aspen Plus -simulointiohjelmalla. Dynaaminen malli prosessista rakennettiin Aspen Dynamics -simulointiohjelmalla. Aspen Dynamics:ssa prosessin staattiseen simulointimalliin lisättiin prosessin säätöjärjestelmä ja säätimet viritettiin vastaamaan todellisen prosessin toimintaa. Simulointimallit sisältävät kaksi tislauskolonnia, joiden toiminta on kiinteästi integroitu toisiinsa. Kokeellisessa osassa selvitettiin aluksi prosessin eri muuttujien välisiä vuorovaikutuksia. Näiden tietojen pohjalta oli tarkoitus löytää prosessin optimaalinen operointitapa kahdella eri kapasiteetilla. Dynaamisen simuloinnin avulla kehitettiin operointitapa, jolla prosessin optimaalinen tuotanto voitaisiin saavuttaa. Simuloinneista havaittiin, että prosessin kokonaiskapasiteetti ei vaikuta prosessin operointitapaan. Toisen tislauskolonnin toiminnan säätäminen perustuu kolonnin pohjan ja huipun väliseen lämpötilaeroon. Tällä säätöratkaisulla on vaikea hallita kolonnia muutostilanteissa, joten kaikkien prosessin tavoitearvojen saavuttamiseksi tutkittiin myös uusia säätöratkaisuja. Uusiksi säätöratkaisuiksi kehitettiin kolme eri vaihtoehtoa, joista jokaista voidaan käyttää prosessin muutostilanteissa.

Description

Supervisor

Hurme, Markku

Thesis advisor

Hagelberg, Pasi
Lampi, Marko

Keywords

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020120450729

Collections

[dipl] Teknillinen korkeakoulu / TKK