Energy production via chemical route inevitably leads to the management of H2S and CO2, two of the most critical by-products generated by this type of processes. Over the past few years, the issues related to their emissions have become more and more serious, because on one hand, world energy demand has constantly increased, and sulfur-richer crude oils and natural gases have been exploited; on the other hand, more stringent environmental legislation has been implemented in industrialized countries. H2S from oil refineries cannot be discharged in the atmosphere because of its toxicity, so it is usually neutralized in Sulfur Recovery Units, being transformed into elemental sulfur. This last one can be exploited for sulfuric acid synthesis but, unfortunately, sulfuric acid worldwide production capacity is not able to operate a complete re-use of sulfur. CO2 is the main responsible for the greenhouse effect because it is directly emitted in the atmosphere from industrial plants, vehicles etc. in huge quantities. Its emissions have been regulated and partially reduced in Europe, but world-wide data show that a lot of improvements still have to be made in order to mitigate them. The most widespread practices concerning CO2 capture imply either stocking it in empty oil and natural gas wells, or exploiting it as a reactant in Urea and Methanol syntheses. These two processes still do not allow to recycle more than 2% of total CO2 emissions; hence, they do not represent a reliable solution. The main challenge for the next future of chemical processes will concern a major change in perspective: CO2 and H2S will not be considered as waste anymore, but as reactants for valuable products’ syntheses. Therefore, they will be captured and exploited in economically and technologically sustainable processes. One innovative opportunity for realizing this change in industries is represented by AG2S™ technology, whose goal is recovering acid gases to transform them into valuable products. Researchers of Politecnico di Milano have worked on its industrial feasibility by modeling the process on multiple scales. Given the great potential of the technology, and the will to employ Claus plants in a more sustainable way, the aim of the current study is to propose a reduced kinetic model, based on a limited number of reactions occurring a Regenerative Thermal Reactor, able to facilitate its implementation in an industrial context, and make revamping to AG2S™ more appealing. The model faithfully reproduced detailed model’s conversion and concentration profiles, with a mean percentage error equal to 2.87%. The model, developed in MATLAB® programming language, was then used for plant simulations in ASPEN HYSYS®, in order to show its effectiveness and efficiency when in combination with other process units belonging to an AG2S™ plant. The connection between MATLAB® and ASPEN HYSYS® was successful, so to allow investigating optimal operating conditions for hydrogen production.

La produzione di energia per via chimica porta inevitabilmente alla gestione di H2S e CO2, due dei più critici sottoprodotti generati da questo tipo di processi. Negli ultimi anni, i problemi legati alle loro emissioni sono diventati sempre più seri, per i seguenti motivi: da un lato, la domanda mondiale di energia continua ad aumentare, e vengono sfruttati sempre più spesso greggi e gas naturali pù ricchi in zolfo; dall’altro, legislazioni sempre più stringenti sono state introdotte nei Paesi industrializzati. L’H2S proveniente dalle raffinerie non può essere scaricato in atmosfera a causa della sua tossicità; viene perciò neutralizzato nelle unità di recupero zolfo, venendo trasformato in zolfo elementare. Quest’ultimo può essere sfruttato nella sintesi di acido solforico ma, purtroppo, la produzione mondiale di acido solforico non è in grado di realizzare un completo recupero dello zolfo. L’anidride carbonica è la principale responsabile dell’effetto serra poiché viene emessa direttamente in atmosfera da impianti industriali, veicoli, ecc. in enormi quantità. Le emissioni di CO2 sono state regolamentate e parzialmente ridotte in Europa, ma dati mondiali mostrano che occorre attuare ancora molti cambiamenti per mitigarle. Le più diffuse pratiche riguardanti la cattura di CO2 prevedono lo stoccaggio in pozzi petroliferi o di gas naturale ormai svuotati, oppure l’utilizzo come reagente nelle sintesi di Urea e Metanolo. Questi due processi però non permettono di riciclare più del 2% delle emissioni totali di CO2; non possono quindi rappresentare una soluzione valida. La più grande sfida per il prossimo futuro dell’industria chimica riguarderà un importante cambio di prospettiva: CO2 e H2S non verranno più considerati scarti, ma reagenti per la sintesi di prodotti dall’apprezzabile valore economico. Perciò, saranno catturati e sfruttati in processi sostenibili dai punti di vista economico e tecnologico. Un’opportunità innovativa per realizzare questo cambio nelle industrie è rappresentato dalla tecnologia AG2S™ , il cui obiettivo è recuperare gas acidi per trasformarli in prodotti vendibili. I ricercatori del Politecnico di Milano stanno lavorando sulla sua fattibilità industriale modellando il processo a diverse scale. Date le grandi potenzialità di questa tecnologia, e la volontà di utilizzare gli impianti Claus in maniera più sostenibile, lo scopo di questo lavoro è proporre un modello cinetico ridotto, basato su un numero limitato di reazioni che avvengono in un reattore termico rigenerativo, in grado di facilitare la sua implementazione in un contesto industriale, e rendere il revamping verso AG2S™ più interessante. Il modello ha riprodotto fedelmente i profili di conversione e concentrazione del modello dettagliato, con un errore medio del 2.87%. Il modello, sviluppato in MATLAB®, è stato poi utilizzato per simulazioni d’impianto in ASPEN HYSYS®, per mostrare la sua efficacia ed efficienza in combinazione ad altre unità di processo di un impianto AG2S™. La connessione tra MATLAB® e ASPEN HYSYS® è ben riuscita, in modo da consentire la ricerca di condizioni ottimali per la produzione di idrogeno.

Generalized kinetic scheme for sulfur recovery units. Parameter estimation, validation and implementation at the process scale

Panico, Andrea;Steffanini, Mariachiara
2019/2020

Abstract

Energy production via chemical route inevitably leads to the management of H2S and CO2, two of the most critical by-products generated by this type of processes. Over the past few years, the issues related to their emissions have become more and more serious, because on one hand, world energy demand has constantly increased, and sulfur-richer crude oils and natural gases have been exploited; on the other hand, more stringent environmental legislation has been implemented in industrialized countries. H2S from oil refineries cannot be discharged in the atmosphere because of its toxicity, so it is usually neutralized in Sulfur Recovery Units, being transformed into elemental sulfur. This last one can be exploited for sulfuric acid synthesis but, unfortunately, sulfuric acid worldwide production capacity is not able to operate a complete re-use of sulfur. CO2 is the main responsible for the greenhouse effect because it is directly emitted in the atmosphere from industrial plants, vehicles etc. in huge quantities. Its emissions have been regulated and partially reduced in Europe, but world-wide data show that a lot of improvements still have to be made in order to mitigate them. The most widespread practices concerning CO2 capture imply either stocking it in empty oil and natural gas wells, or exploiting it as a reactant in Urea and Methanol syntheses. These two processes still do not allow to recycle more than 2% of total CO2 emissions; hence, they do not represent a reliable solution. The main challenge for the next future of chemical processes will concern a major change in perspective: CO2 and H2S will not be considered as waste anymore, but as reactants for valuable products’ syntheses. Therefore, they will be captured and exploited in economically and technologically sustainable processes. One innovative opportunity for realizing this change in industries is represented by AG2S™ technology, whose goal is recovering acid gases to transform them into valuable products. Researchers of Politecnico di Milano have worked on its industrial feasibility by modeling the process on multiple scales. Given the great potential of the technology, and the will to employ Claus plants in a more sustainable way, the aim of the current study is to propose a reduced kinetic model, based on a limited number of reactions occurring a Regenerative Thermal Reactor, able to facilitate its implementation in an industrial context, and make revamping to AG2S™ more appealing. The model faithfully reproduced detailed model’s conversion and concentration profiles, with a mean percentage error equal to 2.87%. The model, developed in MATLAB® programming language, was then used for plant simulations in ASPEN HYSYS®, in order to show its effectiveness and efficiency when in combination with other process units belonging to an AG2S™ plant. The connection between MATLAB® and ASPEN HYSYS® was successful, so to allow investigating optimal operating conditions for hydrogen production.
DELL'ANGELO, ANNA
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
24-lug-2020
2019/2020
La produzione di energia per via chimica porta inevitabilmente alla gestione di H2S e CO2, due dei più critici sottoprodotti generati da questo tipo di processi. Negli ultimi anni, i problemi legati alle loro emissioni sono diventati sempre più seri, per i seguenti motivi: da un lato, la domanda mondiale di energia continua ad aumentare, e vengono sfruttati sempre più spesso greggi e gas naturali pù ricchi in zolfo; dall’altro, legislazioni sempre più stringenti sono state introdotte nei Paesi industrializzati. L’H2S proveniente dalle raffinerie non può essere scaricato in atmosfera a causa della sua tossicità; viene perciò neutralizzato nelle unità di recupero zolfo, venendo trasformato in zolfo elementare. Quest’ultimo può essere sfruttato nella sintesi di acido solforico ma, purtroppo, la produzione mondiale di acido solforico non è in grado di realizzare un completo recupero dello zolfo. L’anidride carbonica è la principale responsabile dell’effetto serra poiché viene emessa direttamente in atmosfera da impianti industriali, veicoli, ecc. in enormi quantità. Le emissioni di CO2 sono state regolamentate e parzialmente ridotte in Europa, ma dati mondiali mostrano che occorre attuare ancora molti cambiamenti per mitigarle. Le più diffuse pratiche riguardanti la cattura di CO2 prevedono lo stoccaggio in pozzi petroliferi o di gas naturale ormai svuotati, oppure l’utilizzo come reagente nelle sintesi di Urea e Metanolo. Questi due processi però non permettono di riciclare più del 2% delle emissioni totali di CO2; non possono quindi rappresentare una soluzione valida. La più grande sfida per il prossimo futuro dell’industria chimica riguarderà un importante cambio di prospettiva: CO2 e H2S non verranno più considerati scarti, ma reagenti per la sintesi di prodotti dall’apprezzabile valore economico. Perciò, saranno catturati e sfruttati in processi sostenibili dai punti di vista economico e tecnologico. Un’opportunità innovativa per realizzare questo cambio nelle industrie è rappresentato dalla tecnologia AG2S™ , il cui obiettivo è recuperare gas acidi per trasformarli in prodotti vendibili. I ricercatori del Politecnico di Milano stanno lavorando sulla sua fattibilità industriale modellando il processo a diverse scale. Date le grandi potenzialità di questa tecnologia, e la volontà di utilizzare gli impianti Claus in maniera più sostenibile, lo scopo di questo lavoro è proporre un modello cinetico ridotto, basato su un numero limitato di reazioni che avvengono in un reattore termico rigenerativo, in grado di facilitare la sua implementazione in un contesto industriale, e rendere il revamping verso AG2S™ più interessante. Il modello ha riprodotto fedelmente i profili di conversione e concentrazione del modello dettagliato, con un errore medio del 2.87%. Il modello, sviluppato in MATLAB®, è stato poi utilizzato per simulazioni d’impianto in ASPEN HYSYS®, per mostrare la sua efficacia ed efficienza in combinazione ad altre unità di processo di un impianto AG2S™. La connessione tra MATLAB® e ASPEN HYSYS® è ben riuscita, in modo da consentire la ricerca di condizioni ottimali per la produzione di idrogeno.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/164471