Αριστοποίηση μονάδας διαχωρισμού ΜΤΒΕ διυλιστηρίου ΕΛ.ΠΕ. Ασπροπύργου με χρήση Aspen Plus - Μυλωνά, Πηνελόπη (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ). Εργαστήριο Θερμοδυναμικής και Φαινομένων Μεταφοράς, 2016)
Οι σύγχρονοι βενζινοκινητήρες για να αποδώσουν στον βαθμό για τον οποίο σχεδιάστηκαν απαιτούν καύσιμα υψηλών προδιαγραφών. Εκτός των διεργασιών αναμόρφωσης της νάφθας, για να επιτευχθεί υψηλός αριθμός οκτανίων και καλή αντικροτική συμπεριφορά της βενζίνης, είναι απαραίτητη η χρήση οξυγονούχων προσθέτων. Το πλέον χρησιμοποιούμενο πρόσθετο αυτή την εποχή είναι ο μεθυλο-τριτοταγής βουτυλ-αιθέρας (MTBE), το οποίο συνήθως παράγεται στο ίδιο το διυλιστήριο. Η παραγωγή του γίνεται με αντίδραση μεθανόλης και ισοβουτυλενίου, το οποίο περιέχεται σε ρεύμα ελαφριών υδρογονανθράκων (κυρίως βουτενίων), που αποτελεί υποπροϊόν, συνήθως, της μονάδας καταλυτικής πυρόλυσης. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η προσομοίωση σε υπολογιστικό περιβάλλον, του τμήματος διαχωρισμού υφιστάμενης μονάδας παραγωγής ΜΤΒΕ, που βρίσκεται στα διυλιστήρια των Ελληνικών Πετρελαίων στον Ασπρόπυργο, με στόχο τη βελτιστοποίησή του. Το προς μελέτη τμήμα της συγκεκριμένης μονάδας αποτελείται από δύο αποστακτικές στήλες και μία στήλη εκχύλισης. Αρχικά κρίθηκε απαραίτητο να διασφαλιστεί η ορθή θερμοδυναμική περιγραφή της συμπεριφοράς του συστήματος, το οποίο επιτεύχθηκε με το μοντέλο UNIQUAC-RK. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκε συσχέτιση δυαδικών παραμέτρων αλληλεπίδρασης του μοντέλου UNIQUAC, οι οποίες εφαρμόστηκαν με επιτυχία και στην πρόρρηση της ισορροπίας φάσεων τριαδικών μιγμάτων. Οι συσχετισμένες παράμετροι αλληλεπίδρασης έδωσαν βελτιωμένα αποτελέσματα, σε σύγκριση με τις παραμέτρους του Aspen Plus, ιδίως για τα μίγματα υδρογονανθράκων/νερού. Η αναγκαιότητα της καλής περιγραφής της θερμοδυναμικής συμπεριφοράς του μοντέλου αποδείχτηκε και στην τελική προσομοίωση, και ιδιαίτερα στη στήλη εκχύλισης, όπου παρατηρήθηκε ότι με τις παραμέτρους του Aspen Plus περνάει 134% περισσότερος υδρογονάνθρακας στο μίγμα νερού/μεθανόλης και 150% περισσότερο νερό στο ρεύμα των ραφιναρισμένων υδρογονανθράκων με συνέπεια να δυσχεραίνεται και ο διαχωρισμός στην αποστακτική στήλη νερού/μεθανόλης. Καταστρώθηκε, λοιπόν, η υφιστάμενη διεργασία του τμήματος διαχωρισμού στο περιβάλλον του Aspen Plus (v8.6), χρησιμοποιώντας δύο εναλλακτικές μεθοδολογίες επίλυσης, την επίλυση με μοντέλο βαθμίδας ισορροπίας και την επίλυση με μοντέλο ρυθμού, όπου και προέκυψαν συγκρίσιμα αποτελέσματα με τα πραγματικά δεδομένα της μονάδας. Οι δύο αυτοί τρόποι υπολογισμού κατέληξαν σε παρόμοια αποτελέσματα, με διαφορά περίπου 3% στην απαίτηση για τον ατμό θέρμανσης και 0.13% για το νερό ψύξης. Για περαιτέρω σύγκρισή τους, χρησιμοποιήθηκε η κατά Murphree απόδοση που προέκυψε με το μοντέλο ρυθμού, ίση με 55%, και εφαρμόστηκε εκ νέου στο μοντέλο βαθμίδας ισορροπίας, οπότε παρατηρούνται μικρότερες διαφορές, 2.5% στον απαιτούμενο ατμό και 0.2% στο νερό ψύξης. Τέλος, πραγματοποιήθηκε μελέτη αριστοποίησης της διεργασίας, τόσο με τροποποιήσεις στο διάγραμμα ροής, ως προς τη συνδεσμολογία των εναλλακτών, όσο και με ανάλυση ευαισθησίας των λειτουργικών παραμέτρων της διεργασίας, με στόχο τη μείωση των ενεργειακών αναγκών της μονάδας, διατηρώντας παράλληλα τα προϊόντα εντός των επιθυμητών προδιαγραφών. Ως μεταβλητές σχεδιασμού θεωρήθηκαν για τις αποστακτικές στήλες ο λόγος αναρροής, η βαθμίδα και η θερμοκρασία εισόδου της τροφοδοσίας, ενώ για τη στήλη εκχύλισης, η πίεση λειτουργίας της και θερμοκρασία των ρευμάτων εισόδου. Σημαντική μείωση του λειτουργικού κόστους επιτεύχθηκε με μείωση της πίεσης λειτουργίας της στήλης εκχύλισης κατά 4 bar, καθώς και με μείωση της ψύξης κατά 10 ℃ του προς εκχύλιση μίγματος, εξασφαλίζοντας, όμως, τη μη-εμφάνιση ατμώδους φάσης καθ’ ύψος της. Πιο συγκεκριμένα, μειώθηκε η ισχύς των αντλιών για την αύξηση της πίεσης των εισερχόμενων ρευμάτων κατά 47%. Οι μεταβολές των θερμοκρασιών στις οποίες εισέρχονται τα ρεύματα στις στήλες, καθώς και η αλλαγή στη συνδεσμολογία του εναλλάκτη προθέρμανσης της τροφοδοσίας της στήλης κλασμάτωσης μεθανόλης/νερού, μείωσε το απαιτούμενο νερό ψύξης κατά 14.5% και τη συνολική απαιτούμενη επιφάνεια εναλλαγής κατά 26%. Τέλος, μειώθηκαν σημαντικά και οι συνολικές απαιτήσεις των αναβραστήρων των δύο αποστακτικών στηλών σε ατμό θέρμανσης κατά 3-4%. Οπότε συνολικά η κατάλληλη επιλογή λειτουργικών παραμέτρων μπορεί να οδηγήσει σε μείωση του λειτουργικού κόστους της μονάδας.