Development of a model predictive controller of hydrotreating reactor co-feeding biobased feed

Abstract

Biofuels are one important solution to reduce traffic CO2 emissions and gradually reduce our dependence on fossil oil. Stand-alone biofuel production facilities are expensive investments, and one interesting option to reduce costs is to use current petroleum refinery infrastructure to co-process biomass-derived feedstock with petroleum fractions in the refinery process units. The product of co-processing is hybrid fuel with bio-content,

Hydroprocessing units operate in high hydrogen partial pressure and temperatures. The reactors and catalytic reactions in those are suitable for oxygen removal reactions and hydrogenation of triglycerides to be suitable for diesel fuel production.

A significant difference comparing bio-based and petroleum feedstocks is the high oxygen content in bio-feed. Oxygen removal reactions in a hydrotreating reactor cause increased exothermic reactions, and CO, CO2 and H2O byproducts.

One efficient tool to optimise efficient production in process units is the Model Predictive Controller (MPC). It can operate selected controlled variables close to process constraints, which is often the optimal operating method.

The thesis work subject was to design and implement an MPC controller for a petroleum refinery hydrotreating unit reactor. The future plan is to start co-processing in this process unit, and advanced reactor temperature control will improve the operationality of the reactor in constrained situations, like increased reactor exotherms.

Biopolttoaineet ovat tärkeä tekijä liikenteen CO2 päästöjen vähentämiseksi. Niiden tuotantoa lisäämällä ja tuotantomenetelmiä kehittämällä voidaan asteittain pienentää riippuvuuttamme fossiiliperäisestä raakaöljystä. Biopolttoaineiden tuotantolaitokset ovat suuria ja kalliita investointeja. Mahdollinen keino kustannusten laskemiseksi on nykyisten raakaöljyjalostamoiden tuotantoyksiköiden käyttäminen myös biopolttoaineiden valmistamiseen. Yksi keino tähän on bioperäisen ja raakaöljypohjaisen syötön yhteiskäsittely, jolloin tuote on hybridi polttoaine biokomponentilla.

Vetykäsittely-yksiköt toimivat korkessa vedyn osapaineessa ja lämpötilassa. Näiden tuotantoyksiköiden reaktorit ja niissä tapahtuvat vedytysreaktiot soveltuvat mm. hapenpoistoon sekä triglysereiden vedyttämiseen dieseljakeeseen soveltuviksi hiilivedyiksi.

Merkittävä ero vertaillessa biosyöttöaineita ja fossiilista öljyä on bioperäisten syöttöaineiden korkea happipitoisuus. Lisääntyneet hapenpoistoreaktiot nostavat reaktorin lämmönnousua eksotermisten reaktioden määrän lisääntyessä. Sivutuotteina hapenpoistosta tulee häkää, hiilidioksidia ja vettä.

Tehokas työkalu prosessiyksikön tuotannon optimointiin on mallipredikatiivinen säädin (MPC), jonka avulla prosessiyksikköä voidaan operoida tehokkaasti prosessirajoitteita vasten, jolloin tuotanto on yleensä tuottoisinta. Lopputyön aiheena oli suunnitella ja käyttöönottaa MPC säädin vetykäsittelyreaktoriin, jonka syöttöaineeksi on tulevaisuudessa tulossa bioperäistä syöttöainetta fossiilisen syötön lisäksi. Kehittyneemmällä reaktorin lämpötilan säädöllä voidaan reaktoria hallita paremmin rajoittuneissa operointitilanteissa, esimerkiksi eksotermisten reaktioiden lisääntyessä.