Prosess simuleringer av CO­­­2 absorpsjon tilpasset test-data fra TCM Mongstad

Abstract

Ambisjoner og krav om å redusere CO2-utslippene kan bety at mange CO2-fjerningsanlegg vil bli installert de neste årene. Prosessimuleringer er viktige for sikker design og energioptimale løsninger.

I dette arbeidet er modeller av absorber ved Technology Center Mongstad (TCM) utviklet i Aspen HYSYS (V.11) og Aspen Plus (V. 11). Det er studert hvor godt modellene klarer å reprodusere testresultater. Modellene har forskjellige funksjoner og kan utfylle hverandre.

Aspen HYSYS-modellene er utviklet med brukerdefinerte Murphree trinn-effektiviteter. Tidligere studentarbeid har vist at modellen enkelt kan oppdateres fra en testtilfelle til en annen ved å benytte en faktor, som har fått navnet "Murphree efficiency factor", Em. Dette arbeidet bekrefter at tilnærmingen er nyttig, også når røykgassen har mye høyere CO2-innhold enn i tidligere arbeider. Utfordringen er å bestemme effektivitetsfaktoren for Murphree når effektiviteten til fjerning av absorber er ukjent.

En rate-basert modell i Aspen Plus er videreutviklet som en del av arbeidet. Modellen beregner de fleste av de vurderte tilfellene ganske bra, noen veldig bra, uten tilfelle-spesifikke innstillinger. Sammenligning med testresultater fra fire tilfeller fra Esbjerg pilot testanlegg ble også gjort for å se effekten av forskjellige parametere. Beregningene stemte godt overens med testresultatene.

Det er tre tilfeller fra TCM, med høye amin-strømningshastigheter, hvor avvikene fra testresultatene er store. To av disse tilfellene ble valgt spesielt for sammenligning. Det er viktig å være oppmerksom på gyldighetsområdene for modellen. Mer sammenligning med testdata foreslås. Det anbefales også å utføre tester med høy fjerningseffektivitet for å dokumentere beregninger når effektiviteten er over 90%.

Muligheten for å bruke en ratebasert modell i Aspen Plus, sammen med testresultater, for å produsere effektivitetsdata som kan brukes til simuleringer med Aspen HYSYS, har blitt vurdert spesielt. Det ble utviklet en enkel korrelasjon som brukte data generert av den ratebaserte modellen. Resultatene var ganske nøyaktige. Modellutviklingsarbeid vil eventuelt være nødvendig for mer omfattende bruk.

Det anbefales å fortsette arbeidet med både likevektsbaserte og ratebaserte modeller. Testresultater kan reproduseres med kun bruk av en justeringsfaktor.

Ambitions and demands to reduce the CO2 emissions may mean that many CO2 removal plants will be installed in the coming years. Process simulations are important for safe design and energy optimal solutions.

In this work, models of the absorber at the Technology Centre Mongstad (TCM) have been developed in Aspen HYSYS (V.11) and Aspen Plus (V. 11). It has been studied how well the models manage to reproduce test results. The models have different features and may complement each other.

The Aspen HYSYS models have been developed with user defined Murphree stage efficiencies. Previous student work has shown that the model can easily be updated from one test case to another by utilising a factor, which have been named the Murphree efficiency factor, Em. This work confirms that the approach is useful, also when the flue gas has much higher CO2 content than in previous work. The challenge is to determine the Murphree efficiency factor when the absorber removal efficiency is unknown.

A rate-based model has been further developed as a part of the work. The model calculates most of the considered cases quite well, some very well, without case specific tuning. Comparison with test results from four cases from the Esbjerg pilot test facilities was also made, to see the effect of different parameters. The calculations matched well with test results.

There are three cases from TCM, with high lean amine flowrates, where the deviations from test results are large. Two of these cases were specifically selected for comparison. It is important to be aware of the input validity ranges for the model. More comparison with test data is proposed. It is also suggested to perform tests with high removal efficiencies to document calculations when above 90% removal.

The possibility of using a rate-based model in Aspen Plus, together with test results, to produce absorber efficiency data that can be utilised for simulations with Aspen HYSYS, has been specifically considered. A simple correlation was developed which used data generated by the rate-based model to calculate absorber efficiencies. The results were quite accurate. Model development work would eventually be required for more extensive use.

It is recommended to continue the work with both the equilibrium based and rate-based models. Test results can generally be fitted with only one adjustment factor.