The aim of this project was to design different chemical processes using Chemcad software. Following five Chemcad models that had industrial relevance were designed and discussed, production of nitric acid by ammonia oxidation process, Production of sodium carbonate by Solvay process, production of hydrogen by steam reforming of natural gas, production of sulphuric acid by Contact process and production of sulphur by Claus process. Equilibrium reactor, Gibbs reactor, absorption tower, heat exchangers, condensers, separators, pumps, compressors and mixers are designed on flow sheet diagram using Chemcad software. Mass balances and energy balances of Chemcad models were compared with bachelor thesis work and their differences and similarities were discussed in detail. In all processes reasonable results were obtained. Mostly in all cases results are the same as in the bachelor thesis. It was seen that equilibrium reactors give better results as compare to Gibbs reactors because when conversion factor of the chemical reaction was not known, Gibbs reactor was used and it adjust the conversion by itself according to equilibrium concentrations of the compounds. SI unit system was used in Chemcad models because in Sweden the SI system is very well established.

Many chemical processes need large computation time to simulate. It has been observed that the speed of a process simulation depends to a large extent on evaluation of certain important functions in the system to be simulated. One such function is K-value estimation function which involves heavy vapor-liquid equilibrium calculations. Because of large number of K-value calculations, there can be a bottleneck in simulation convergence. Thus within process simulation applications computational speed is often emphasized and accuracy is compromised. In situ adaptive tabulation or ISAT, a storage and retrieval technique is proposed for speeding up K-value estimation in a process simulator (CHEMCAD®) using the input-output data. C language code is developed to implement ISAT algorithm for this application. The C code is then converted into Dynamic link library to be able to be used vii by main CHEMCAD® code as required. The overall testing with different K-value databases gave promising results improving computational time while maintaining accuracy. / text

p.p1 {margin: 0.0px 0.0px 0.0px 0.0px; font: 11.5px Garamond} This paper presents an approach for modelling a commercial dinitrotoluene (DNT) production process using the CHEMCAD simulation software. A validation of the model was performed based on results of an experimental study carried out at Chematur Engineering AB, Sweden.  Important parameters such as fluid properties, temperature profile and other operating conditions for CHEMCAD steady state model were selected so as to obtain the crude DNT yield as well as the acid –and organic phase compositions within the same range as the reference values from the experimental study. The results showed that the assumption of the steady state model was correct, and that acid –and organic phase compositions were in good agreement, although with a slightly lower sulphuric acid concentration than that observed in the experimental study.  Also, a detailed study was carried out to analyse the effects of physicochemical conditions on the desired product yield. Both the results from the experimental study and the simulated model agree that the effects of mixed acids or heats of mixing acids contribute significantly to the energy balance.  For the appropriateness of the thermodynamics, a NRTL model was chosen and the reactor system was optimized by an equilibrium based approach, producing MNT in 99.8% yield and crude DNT in 99.9% yield. An 80.1/19.9 DNT isomer ratio of the main isomers was achieved and a reduction of by-products in the crude DNT shows a good agreement between the model and the experimental study. / p.p1 {margin: 0.0px 0.0px 0.0px 0.0px; font: 11.5px Garamond} I denna rapport presenteras en metod för att modellera en kommersiell nitreringsprocess för tillverkning av dinitrotoluen (DNT) med simuleringsprogrammet CHEMCAD. En validering av modellen gjordes baserat på resultat från en experimentell studie utförd hos Chimärer Engineering AB, Sverige.  CHEMCAD-modellen utgår från ”steady-state” drift av anläggningen. Viktiga parametrar såsom fluidegenskaper, temperaturprofil och andra driftsbetingelser i CHEMCAD-modellen valdes för att erhålla ett utbyte av DNT samt sammansättningar av såväl syrafas som organisk fas i god överensstämmelse med referensvärdena från den experimentella studien.  Resultaten visade att antagandena i modellen var korrekta och sammansättningarna för syrafasen och den organiska fasen överensstämde med data från den experimentella studien.  Det genomfördes också en detaljerad studie för att analysera effekterna av fysikalisk-kemiska betingelser på det önskade produktutbytet. Både resultaten från den experimentella studien och data från anläggning i drift överensstämde med den simulerade modellen avseende utspädningsvärmens bidrag till energibalansen.  För att erhålla en lämplig beskrivning av reaktionssystemets termodynamik valdes en NRTL-modell och reaktorsystemet optimerades, vilket gav 99,8 % utbyte av MNT och 99,9 % DNT utbyte. Ett förhållande på 80,1 / 19,9 mellan de två huvudisomererna av DNT uppnåddes och en minskning av biprodukter i DNT produktblandningen. Detta är två exempel på en bra överensstämmelse mellan modellen och experimentstudien.

Polyhydroxyalkanoater (PHA) är en grupp av polymerer som är biobaserade, biologiskt nedbrytbara och som kan uppvisa varierande fysiokemiska egenskaper. Således har PHA potential att ersätta konventionell och fossilbaserad plast så som polypropylen (PP) och polyetentereftalat (PET).  PHA framställas genom mikrobiologisk fermentering av organiskt material och innesluter sig i bakteriernas celler som sfäriska lagringsdepåer när bakterier matas med en kolkälla. PHAt kan sedan extraheras ut från bakterierna med hjälp av lösningsmedel, en metod som ger höga utvinningsnivåer men som kräver stora mängder lösningsmedel. Ska metoden vara hållbar och ha industriell relevans är det nödvändigt att lösningsmedelsåtervinning tillämpas.   Industriell framställning av PHA sker idag med rena bakteriekulturer som matas med odlade sockerrika grödor. Detta leder till att konkurrens om markanvändning samt vatten- och energiresurser för främst livsmedelsproduktion uppstår. Samtidigt skapas restströmmar från industri och samhälle innehållande organiskt material och blandade bakteriekulturer vilka kan utnyttjas för att producera PHA.   I detta arbete har PHA-processen modellerats i processimuleringsprogrammet CHEMCAD där data på restströmmar från skogsindustrin utnyttjas för PHA-produktion. I modellen har uppströmsprocesserna fermentering, anrikning, PHA-ackumulering och avvattning samt nedströmsprocesserna lösningsmedelsextraktion och separation inkluderats. Nedströmsprocesserna har modellerats för två fall. Ett fall där extraktion gjorts med 100 % torr biomassa (extraktionssystem 1) samt ett fall där extraktion gjorts med våt biomassa (extraktionssystem 2). Därtill implementerades intern värmeväxling vilket optimerades genom införandet av pinchanalys.   Målet med projektet var att upprätta en energianalys av PHA processen, identifiera energibehovet för de enskilda PHA-processerna, analysera om lösningsmedelsextraktion görs mest energieffektivt med våt eller torr biomassa samt att utvärdera hur intern värmeväxling kan bidra till att energieffektivisera PHA-processen.  Resultaten som erhölls visade att behovet av extern värme kunde minska från 49 till 13 MJ/ kg PHA och kylbehovet från 43 till 11 MJ/ kg PHA efter införandet av intern värmeväxling för extraktionssystem 1. När extraktion utfördes enligt extraktionssystem 2 minskade det externa kylbehovet från 98 till 48 MJ/kg PHA och det externa värmebehovet från 60,9 till 8,1 MJ/ kg PHA. I jämförelse med det totala specifika värme- och kylbehovet var det totala specifika elbehovet för PHA-processen lågt vilket kan ses som positivt då el är högvärdig och dyr energi. När extraktion utfördes enligt extraktionssystem 1 var det totala specifika elbehovet 3,55 MJ/ kg PHA och för extraktionssystem 2 var motsvarande siffra 4,1 MJ/ kg PHA. Störst elbehov uppstod i processen för luftning av PHA-ackumuleringstanken vilket krävde 2,8 MJ/kg PHA. / Polyhydroxyalkanoates (PHAs) is a group of biobased and biodegradable polymers which can exhibit flexible physicochemical properties. Thus, PHA has the potential to replace conventional and fossil-based plastic such as polypropylene (PP) and polyethylene terephthalate (PET).  PHA is produced through microbiological fermentation by organic matter and is stored in the cells of bacteria as spherical storage depots when the bacteria are feed by a carbon source. The PHA can then be extracted from the bacteria using solvent, a method resulting in high yields of PHA but on the other hand large quantities of solvent is required and if the method will be sustainable and have industrial relevance it is necessary to apply solvent recycling in the system.  Today industrial production of PHA takes place using pure bacterial cultures and cultivated sugar-rich crops. This contributes to a competition of land use and water and energy resources, mainly for food production. At the same time, waste streams are generated from industry and society containing organic material and mixed bacterial cultures which can be used to produced PHA.  In this work the process for PHA production has been modelled in the process simulation program CHEMCAD using data from waste streams produced from forest industry. In the model the following upstream processes has been included; acidogenic fermentation, enrichment, PHA-accumulation, dewatering and the downstream processes solvent extraction and separation. Moreover, the downstream processes have been modelled for two cases; one case where extraction takes place using 100 % dry biomass (extraction system 1) and one case where extraction takes place using wet biomass (extraction system 2). In addition, internal heat exchanging was implemented which was optimized through the introduction of pinch analysis.   The aim of the project was to establish an energy analysis of the PHA process, identify the energy needs of the individual PHA processes, analyse whether solvent extraction is made most energy efficient using wet or dry biomass and to evaluate how internal heat exchanging can contribute to make to the PHA process more energy efficient.   The results obtained showed that the need for external heating and cooling could decrease from 49 to 13 MJ/ kg PHA and 43 till 11 MJ/ kg PHA after the implementation of internal heat exchanging for extraction system 1. When extraction was performed according to extraction system 2 the external cooling demand was reduced from 98 to 48 MJ/kg PHA and the externa heating demand was reduced from 60,9 to 8,1 MJ/ kg PHA. In comparison with the total specific heating and cooling demand, the total specific electricity demand for the PHA process was low, which can be seen as positive as electricity is high-value and expensive energy. When extraction was performed according to extraction system 1, the total specific electricity requirement was 3,55 MJ/ kg PHA and for extraction system 2 the corresponding value was 4,1 MJ/ kg PHA. The greatest electricity demand arose in the process of aerating the PHA accumulation reactor with 2,8 MJ/kg PHA.

This diploma thesis is a study of the potential of heat transfer enhancement in the process of hydrogenation refining of oil. The simulation of the process and the heat-hydraulic analysis of the heat exchanger network are performed using the software tools. Based on the obtained results and the results of the optimization study, a new heat exchanger is placed in the process and its parameters are subject to further calculations. The aim is to study the possibilities of heat transfer enhancement for the newly used heat exchanger and to discuss aspects connected with the use of selected software.

This thesis deals with the calculation procedures for determining the heat transfer coefficient for steam condensers. The first section provides a basic overview for industrial steam condensers and possible procedure for selecting the appropriate type of tube condenser. The next section describes the types of condensation and equations for determining the heat transfer coefficient for various geometries of tubular condensers. In the final section there is performed practical calculation of condenser in Maple software using the above relations. The results obtained in this calculation are compared with the results obtained by professional computational software Chemcad and HTRI.

Karlstads Energi AB är ett medborgarägt företag som levererar värme och el till Karlstad med omnejd. Sedan uppförandet av det nya kraftvärmeverket Heden 3 har kraftvärmeverket Heden 2 fått förändrade driftförhållanden och körs numera ofta på låga laster under pannans drifttid vilket har resulterat i ökade NOx-utsläpp. Som energiproducent omfattas Karlstads Energi av kväveoxidavgiften och det finns en önskan om att öka marginalen för att nå miljökraven. Då NOx-utsläppen främst beror på för stort O2-överskott i pannan finns det möjlighet att ersätta en del av förbränningsluften med recirkulerade rökgaser för att minska tillgänglig O2. För att fortsätta vara relevanta på energimarknaden har Karlstads Energi ett behov av att utveckla nya tjänster och produkter. Samproduktion av syntesgas kan vara aktuellt som värdeskapande process när samhället rör sig mot en bioekonomi och det finns anledning att utvärdera hur det skulle komma att påverka förbränningsprocessen. Förbränningsprocessen inklusive rådande NOx-reducerande åtgärder i Heden 2 har modellerats i CHEMCAD. Baserat på modellen har rökgasrecirkulation samt effekterna av att samproducera syntesgas implementerats. I fallet med syntesgas ersätts en del av bränslet med förgasningskoks och värme tas ut från den externa bäddcirkulationen för att driva syntesgasreaktorn. Modellen inkluderar reaktionskinetik för NOx-bildning och -reduktion samt intern och extern bäddcirkulation. Rökgasrecirkulation fungerar som NOx-reducerande åtgärd vid drift med låg last. Beroende på bränslesammansättning kan NO-bildning minska med upp till 10% och NO-utsläpp med upp till 67%. Optimal andel recirkulerade rökgaser är 20% när flis förbränns respektive 15% vid samförbränning av förgasningskoks. Temperaturen i pannan sjunker något med ökande flöde av recirkulerade rökgaser och överstiger aldrig 800°C vilket riskerar att skapa en ineffektiv NOx-reduktion med selektiv ickekatalytisk reduktion (SNCR). Samförbränning av förgasningskoks ökar den totala effektutvecklingen med ca 1,5 MW jämfört med då endast flis förbränns och värmeuttaget från cyklonen som driver den nya syntesgasreaktorn har försumbar inverkan på bäddmaterialets temperatur. Slutsatser som dras är att rökgasrecirkulation fungerar som NOx-reducerande åtgärd vid låg last. Samproduktion av syntesgas har en NOx-hämmande effekt och kan ge ett minskat bränslebehov för att möta energibehovet.

Large-scale processes that are modeled using differential algebraic equations based on mass and energy balance calculations at times require excessive computation time to simulate. Depending on the complexity of the model, these simulations may require many iterations to converge and in some cases they may not converge at all. Application of a storage and retrieval technique, named in situ adaptive tabulation or ISAT is proposed for faster convergence of process simulation models. Comparison with neural networks is performed, and better performance using ISAT for extrapolation is shown. In particular, the requirement of real-time dynamic simulation is discussed for operating training simulators (OTS). Integration of ISAT to a process simulator (CHEMCAD®) using the input-output data only is shown. A regression technique based on partial least squares (PLS) is suggested to approximate the sensitivity without accessing the first-principles model. Different record distribution strategies to build an ISAT database are proposed and better performance using the suggested techniques is shown for different case studies. A modified ISAT algorithm (mISAT) is described to improve the retrieval rate, and its performance is compared with the original approach in a case study. State estimation is a key requirement of many process control and monitoring strategies. Different nonlinear state estimation techniques studied in the past are discussed with their relative advantages/disadvantages. A robust state estimation technique like moving horizon estimation (MHE) has a trade-off between accuracy of state estimates and the computational cost. Implementation of MHE based ISAT is shown for faster state estimation, with an accuracy same as that of MHE. Flowsheet optimization aims to optimize an objective or cost function by changing various independent process variables, subject to design and model constraints. Depending on the nonlinearity of the process units, an optimization routine can make a number of calls for flowsheet (simulation) convergence, thereby making the computation time prohibitive. Storage and retrieval of the simulation trajectories can speed-up process optimization, which is shown using a CHEMCAD® flowsheet. Online integration of an ISAT database to solve the simulation problem along with an outer-loop consisting of the optimization routine is shown using the sequential-modular approach. / text

The proposed master´s thesis looks into the aspects of tubular heat exchangers modeling using available software tools. In the first – theoretical part there is a description of distribution and types of heat exchangers, including a detailed description of the industrial heat exchanger solved in this thesis. Another chapter is devoted to the main computational relations and calculation methods used in the context of thermo-hydraulic calculation. The main part of thesis consists of chapters, which are devoted to selected available software and perform calculations using the software in the specific industrial case. Finally, there is summary of the various software and a recommendation for the specific program for the need.