Development of a Micro-GtL TechnologyThrough Risk Assessment and Temperature Control of Fischer-Tropsch Process

La technologie compacte Gas-to-Liquid, appelée Micro-GtL, est l’une des solutions sub-stantielles pour minimiser la pollution de l’environnement et du climat, ainsi que pour moné-tiser le gaz brûlé à la torche / échoué dans les têtes de puits de pétrole éloignées. Le processus intègre deux unités complexes, l’oxydation partielle catalytique (CPOX) à 20 bar et 900 ◦C, suivie de la synthèse Fischer-Tropsch (FTS) à 300◦C et à la même pression. L’exécution de cette opération, qui concerne un mélange explosif et l’émission de gaz toxiques à des pressions modérées et à des températures élevées, est risquée et comporte des accidents catastrophiques qui doivent être reconnus avec précision et complètement évités. En outre, le FTS, en tant que partie critique de cette installation pilote, nécessite des at-tentions techniques spécifiques, car il n’est pas seulement un élément essentiel de l’installation. Il s’agit non seulement d’une réaction exothermique extrême, mais aussi d’une réaction dont les caractéristiques sont facile-ment affectées par des perturbations en amont. Un régulateur de température approprié est donc nécessaire, et la capacité de refroidissement du réacteur à lit fluidisé doit être assurée pour éviter l’emballement de la réaction pendant le démarrage et le fonctionnement normal. C’est pourquoi nous avons proposé une méthodologie de "décision de mode de défaillance et de risque" pour analyser tous les scénarios dangereux potentiels, quantifier les risques inhérents et attribuer des mesures de protection appropriées pour atténuer le risque en conséquence. Nous avons également conçu un régulateur PI de température à rétroaction basé sur la sim-ulation et testé ses performances en fonction des incertitudes des paramètres cinétiques et du coefficient de transfert de chaleur, ainsi que des perturbations potentielles des conditions de fonctionnement en amont, notamment le rapport H2/CO, la température d’alimentation et le débit, et nous l’avons finalement considéré comme un régulateur préliminaire fiable pour le fonctionnement réel, qui pourrait être réajusté au cours de l’opération. Enfin, nous avons conçu une expérience en mode sûr, en l’absence de réaction, pour mesurer la capacité de refroidissement de l’échangeur de chaleur à tubes internes et nous avons modélisé deux contrôleurs PI et PID pour nous assurer que le système peut éliminer rapidement l’énorme chaleur de réaction, au point de démarrage. Sur la base des résultats, un PID plus un fil-tre utilisant une approche de windup anti-réinitialisation fournit une performance rapide et régulière sur le mécanisme de refroidissement, ce qui est plus pratique que le PI avec un gain modifié. Toutes ces stratégies visent à assurer un fonctionnement sûr et régulier, que ce soit dans le cas du démarrage du processus ou pendant la période de refroidissement. que ce soit lors du démarrage du processus ou pendant le fonctionnement normal du pilote micro-GtL.

Abstract

Compact Gas-to-Liquid technology, called Micro-GtL, is one of the substantial solutions to minimize the environmental and climate pollution as well as monetizing the wasted flared / stranded gas in remote oil wellheads. The process integrates two complex units, catalytic partial oxidation (CPOX) at 20 bar and 900 ◦C followed by Fischer-Tropsch synthesis (FTS) at 300◦C and the same pressure. Running this operation that deals with explosive mixture and emission of toxic gases at moderate pressures and high temperatures, is risky and con-sists of catastrophic accidents that must be precisely recognized and completely prevented. Furthermore, the FTS as the critical part of this pilot plant, needs specific technical at-tentions since it is not only an extreme exothermic reaction but also its characterizations are readily affected by upstream disturbances. Hence, a suitable temperature controller is required and the cooling capacity of the fluidized bed reactor must be assured to avoid run-away reaction during startup and normal operation. Therefore, we proposed ’Failure mode risk decision’ methodology to analyze all the potential hazardous scenarios, quantify the in-herent risks and allocate appropriate safeguards to mitigate the risk accordingly. We also designed a simulation-based feedback temperature PI controller and tested its performance for uncertainties in the kinetic parameters and heat transfer coefficient as well as potential disturbances in the upstream operating conditions including H2/CO ratio, feed temperature, and flow rate and eventually considered it as a reliable preliminary controller in the actual operation that could be re-tuned during the operation. Finally, we designed a safe-mode experiment, in absence of reaction, to measure the cooling capacity of the internal tube heat exchanger and modelled two PI and PID controllers to ensure that the system is able to remove the huge heat of reaction quickly, in particular at the startup point. Based on the results, a PID plus filter using anti-reset windup approach provides a fast and smooth perfor-mance on the cooling mechanism which is more convenient than the PI with modified gain. All these strategies are targeted to handle a safe and smooth operation either in the case of starting the process or during the normal operation within the micro-GtL pilot.