Modeling an industrial LDPE plant with Aspen Plus and Aspen Polymers

Artur Miguel Moutinho de Jesus

Key information

Authors:

Artur Miguel Moutinho de Jesus (Artur Miguel Moutinho de Jesus)

Supervisors:

Pedro Miguel Gil de Castro (Pedro Miguel Gil de Castro); André Vilelas

Published in

10/31/2023

Abstract

O polietileno de baixa densidade (PEBD) representa 18% do mercado global de polietileno, com uma produção de 20Mt em 2020, sendo utilizado principalmente em filmes injeção e laminagem [1,2]. Devido à meta de zero emissões até 2050 da Plastic Europe [2] e às exigências dos consumidores em novos produtos adaptados às suas necessidades, esta indústria tem mostrado um interesse renovado na modelação dos seus processos. Neste trabalho, modelou-se o processo de produção de PEBD na unidade de Sines da Repsol Polímeros, utilizando Aspen Plus® V11 e Aspen Polymers®. O reator, um autoclave com 5 zonas, opera a alta pressão (1200-2000 bar) e temperaturas elevadas (170-300 ºC). Em contraste com autoclaves previamente modelados este possui 5 entradas etileno, ao qual são adicionados agentes de terminação (butano ou propileno) conforme o grau a produzir, para controlar o crescimento das cadeias poliméricas [3]. No Aspen Plus® V11 modelou-se o reator como 5 cinco CSTRs, representando as zonas do autoclave. Parâmetros cinéticos da literatura levaram a desvios elevados em relação às medidas da fábrica, motivando a obtenção de novos parâmetros cinéticos com a ferramenta Data Fit, usando dados reais do processo de 8 diferentes graus. As variáveis de output usadas foram a conversão, as massas molares médias (Mn e Mw) e as ramificações curtas (SCB). Contudo, para se obter uma descrição satisfatória do comportamento do sistema com o modelo cinético de polimerização radical, foi necessário utilizar dois conjuntos de parâmetros cinéticos, num total de 78 parâmetros. Um conjunto para prever os outputs relacionados com a qualidade do polímero (Mn, Mw, Índice de Polidispersividade e SCB), e um segundo para descrever a conversão. Os resultados obtidos correspondem a desvios de 30% para a maioria dos graus de PEBD. O modelo de PC-SAFT foi utilizado para descrever as propriedades termodinâmicas do sistema. Os parâmetros binários do PC-SAFT (kij) foram manipulados de forma a replicar as fases de separação. Os compressores, responsáveis por grande parte da energia consumida no processo, também foram simulados. The low-density polyethylene (LDPE) represents 18% of the polyethylene market worldwide with a production of 20 Mt in 2020, being mainly used in films, injection and moulding applications. This work aims to model the LDPE production process at Repsol Polímeros’ Sines unit using Aspen Plus® V11. The reactor, an autoclave with 5 zones, operates at high pressure (1200-2000 bar) and elevated temperatures (170-300 ºC). In contrast to the previously modeled autoclaves, this reactor has 5 ethylene inlets. Termination agents (n-butane or propylene) are also added to control the polymer chain growth and achieve the desired grade. In Aspen Plus® V11, the reactor was modeled as 5 CSTRs, representing the autoclave’s zones. Kinetic parameters from the literature led to significant deviations from the plant data. This motivated the determination of new kinetic parameters from real process data, gathered from 8 different grades, using the Data Fit tool. The output variables considered were conversion, Mn, Mw, and SCB. Nevertheless, for a good description of the system behavior with the free-radical kinetic model, 2 sets of kinetic parameters were required. One to describe the outputs related to polymer quality (Mn, Mw, PDI, and SCB), and the other the conversions. Overall, the model predictions were within +/-30% for most LDPE grades. The PC-SAFT model was employed to describe the system thermodynamic properties. The PC-SAFT binary parameters were also adjusted to replicate phase separation behavior. Since the compressors account for a large share of the energy consumption in the process, they were also simulated.