Title Advancement of process control system in ammonia production Title (croatian) Unaprjeđenje sustava za vođenje u proizvodnji amonijaka Author Nenad Zečević Mentor Nenad Bolf (mentor)Committee member Vesna Tomašić (predsjednik povjerenstva)Committee member Ante Jukić (član povjerenstva)Committee member Marko Katinić (član povjerenstva)Granter University of Zagreb Defense date and country 2021-07-19, Croatia Scientific / art field, TECHNICAL SCIENCES Universal decimal classificationUDC ) 66 - Chemical technology. Chemical and related industries Abstract A model representing the steady–state and dynamic behaviour of a Haber-Bosch ammonia plant was developed based on plant data from Croatian fertilizer company Petrokemija Plc. Kutina. The plant model was developed with the aim to study the performance of advanced control strategy and optimize the economic performance of the plant. Industrial ammonia plant within fertilizer production asset typically comprises eight highly integrated catalysed process steps with many process units, heat integration, and gas recycles. The intensive nature of the ammonia production process with many nested mass and energy streams makes it a significant challenge to design the appropriate control system. The objective of the research was to design an optimal control strategy based on the plant model. The model takes the main dynamic relationship between the ammonia production rate and other relevant process parameters in downstream and upstream units. As an additional feature, online monitoring of the reforming catalyst and reformer tubes performance in the steam–natural gas reformer as the main energy consumer of an ammonia plant was considered. In order to design an optimised advanced control system, the plant model was divided into three logical process units to reduce the computational effort needed for the optimal synthesis gas preparation, raw synthesis gas purification, and ammonia synthesis loop. With respect to achieving scientific contribution and subsequently practical implementation of the proposed control strategy, a custom advanced process control scheme has been developed that uses programmed cascade functions to predict and adjust critical process parameters in ammonia production. Specifically, it was developed an advanced ratio–cascade process control scheme, which provides efficient disturbance rejection. To reach an optimal economic level the ammonia production rate (set point) acts as the primary/master control loop while holding the steam–to–natural gas and air–to–natural gas molar ratios as secondary/slave controllers. To enhance the profit of the ammonia plant the economic profit objective function is proposed. Feedback from the profit function is used in the advanced process control scheme as an input to bring the ammonia plant operation to the maximum profitability level. The benefits of the developed process control strategy are more effective disturbances’ rejection, simplification of ammonia process control operation, and plantwide optimization of the overall ammonia plant. The developed model offers the opportunity to operate the plant with higher energy and throughput efficiency with more comprehensive insight into the operation of the catalysts and reformer tubes with the possibility to predict its lifetime. With the practical implementation of the proposed control scheme, an ammonia plant can increase profitability, availability, improve safety, and handle environmental related issues.
Abstract (croatian) Na temelju procesnih podataka s postrojenja za proizvodnju amonijaka baziranog na Haber- Boschovom postupku u sastavu kompleksa proizvodnje mineralnih gnojiva Petrokemije d.d. Kutina, razvijeni su statički i dinamički modeli procesa proizvodnje amonijaka. Model postrojenja razvijen je za izvedbu napredne strategije vođenja i analize njezinog utjecaja na ekonomske pokazatelje procesa proizvodnje amonijaka. Tipično postrojenje za proizvodnju amonijaka integrirano u proizvodnju mineralnih gnojiva karakterizira nekoliko kemijskih reakcija za čije odvijanje je nužno osam različitih katalizatora uz maksimalno učinkovito korištenje toplinske energije i recikliranje sinteznog plina što se postiže različitom stacionarnom i rotacionom procesnom opremom. Kompleksnost procesa proizvodnje amonijaka, koje uključuje međusobnu povezanost materijalnih i energetskih procesnih tokova, predstavlja značajni izazov prilikom projektiranja sustava za vođenje procesa. Svrha ovog istraživanja bila je unaprijediti sustav za vođenje postrojenja proizvodnje amonijaka na temelju detaljnog modela procesa. Model procesa uzima u obzir sve odnose između proizvodnog kapaciteta i drugih bitnih procesnih parametara u ostalim dijelovima postrojenja. Modelom procesa prati se i rad katalizatora i katalitičkih cijevi u dijelu parnog reforminga prirodnog plina kao najvećeg potrošača energije u proizvodnji amonijaka. U cilju optimizacije sustava vođenja, model je podijeljen u tri sekcije kako bi se smanjilo potrebno vrijeme za provedbu izračuna parametara modela. Osnovne sekcije su priprema sinteznog plina, pročišćavanje sinteznog plina i procesna petlja sinteze amonijaka. Znanstveni doprinos i praktična primjena temelji se na razvoju prilagođene napredne metode kontinuiranog vođenja procesa u kojoj se primjenjuju programirane kaskadne funkcije za predviđanje i podešavanje kritičnih procesnih parametara tijekom proizvodnje amonijaka. Razvijena metoda temelji se na kaskadnoj regulacija omjera temeljenog na prediktivnom vođenju za kompenzaciju poremećaja u procesu. U cilju smanjenja operativnih troškova proizvodnje predložena je ekonomska funkcija cilja. Rezultat ekonomske funkcije cilja unaprijeđeni je sustav vođenja koji osigurava rad postrojenja za proizvodnju amonijaka uz minimalne operativne troškove. Doprinos istraživanja na osnovi razvijenog naprednog sustava vođenja su bolja kompenzacija procesnih poremećaja, unaprjeđenje vođenja i optimizacija postrojenja proizvodnje amonijaka. Boljim vođenjem procesa očekuje se veća djelotvornost kemijskih reakcija i toplinske energije uz mogućnost praćenja i predviđanja rada katalizatora za parni reforming prirodnog plina i katalitičkih cijevi. Praktičnom primjenom predloženog naprednog sustava vođenja u procesu proizvodnje amonijaka može se smanjiti varijabilni trošak proizvodnje, povećati dostupnost rada postrojenja, poboljšati sigurnost te smanjiti emisija stakleničkih plinova.
Keywords
advanced process control
ammonia production
optimization
plant model
Keywords (croatian)
napredno vođenje procesa
proizvodnja amonijaka
optimizacija
model postrojenja
Language english URN:NBN urn:nbn:hr:149:358922 Promotion 2021 Study programme Title: Chemical Engineering and Applied Chemistry - Doctoral course Type of resource Text Extent 189 str. ; 30 cm File origin Born digital Access conditions Open access Terms of use Created on 2023-06-01 12:46:51
