Reliable techno-economic assessment of ammonia plants through a flexible process simulation-based framework for CAPEX estimation

Ammonia gives a vital contribution to global agricultural systems thanks to its use in generating fertilizers. Considering both population growth and climate change, in the future, the world will need more ammonia but with fewer emissions. Although we are beginning to design plants powered by green hydrogen, natural gas will remain the main raw material for a long time to come. Therefore, exploiting and developing digitized tools to reduce ammonia’s environmental impact while maximizing profits is paramount. This thesis has, through a collaboration with Tecnimont, produced several tools to handle specific tasks related to ammonia plants through a simulation-based approach and with the aim of a future exploitation of CORO’s (CAPEX/OPEX Robust Optimizer) integrated optimizer tools. First, a robust and flexible process simulation of an ammonia plant was developed. The inclusion of measures to make the simulation more adaptable proved to be extremely precise and efficient. Indeed, through a single simulation it was possible to reproduce accurately two completely different ammonia plants. Thus, this tool is capable of delivering several key information regarding new projects in no time. It also provides a versatile platform on which the user can quickly test the effects of different operating conditions as well as alternatives of the process layout. Following a comparison between the CAPEX estimates gained from a commercial software (ACCE) as well as through standard correlations (using CORO) it became clear that none of them could provide valid results. Thus, it has been studied the implementation of a data driven approach to CORO’s CAPEX estimation tool. Thanks to the data made available by Tecnimont, it has been possible to estimate new predictive parameters for the cost estimates of plant equipment. Finally, their implementation in CORO delivered exceptional CAPEX results.

L’ ammoniaca dà un contributo altamente significativo al sistema mondiale dell’agricoltura grazie al suo impiego nei fertilizzanti. Considerando sia l’aumento della popolazione mondiale sia i cambiamenti climatici, il bisogno di ammoniaca sarà crescente nel futuro, e andrà tenuto conto anche della necessità di ridurre le emissioni ad esso correlate. Pur prevedendo la progettazione di impianti innovativi che implichino l’impiego di idrogeno “verde”, va tenuto tuttavia conto che il gas naturale rimarrà ancora a lungo la materia prima più utilizzata in questo settore. Diviene cruciale quindi rivolgersi a mezzi che siano in grado di ridurre l’impatto sull’ambiente massimizzando nello stesso tempo gli aspetti economici. Questo lavoro di tesi, in collaborazione con Tecnimont, ha messo a punto diversi strumenti atti ad affrontare aspetti relativi agli impianti per la produzione di ammoniaca, con un approccio basato sulla simulazione di processo in vista del futuro impiego del programma di ottimizzazione CORO (CAPEX/OPEX Robust Optimizer). Una prima parte del lavoro ha portato allo sviluppo di una simulazione di processo flessibile per un impianto di produzione di ammoniaca. L’adozione di accorgimenti che rendano la simulazione quanto più adattabile hanno dimostrato risultati accurati. Con una singola simulazione è stato verificato possibile avere la rappresentazione di due differenti impianti, con un livello di imprecisione ridottissimo. Pertanto, questo approccio è in grado di fornire rapidamente informazioni chiave relative al design di nuovi progetti. Inoltre, costituisce una piattaforma versatile sulla quale l’utente può rapidamente verificare sia l’applicabilità di differenti condizioni operative sia alternative al layout di processo. Dopo un confronto tra le stime dei CAPEX ottenute con l’utilizzo di un software commerciale (ACCE) così come attraverso correlazioni standard (usando CORO) è risultato chiaro come nessuno dei due fosse in grado di fornire risultati validi. Così, è stata studiata l'implementazione di un approccio “data-driven” allo strumento di stima dei CAPEX di CORO. Grazie ai dati messi a disposizione da Tecnimont, è stato possibile stimare nuovi parametri predittivi per la stima dei costi delle attrezzature dell'impianto. Infine, la loro implementazione in CORO ha fornito risultati CAPEX estremamente precisi.