Simulation of a natural gas TEG dehydration plant

Carollo, Cristina

dc.contributor.author	Carollo, Cristina	en
dc.date.accessioned	2018-09-05T08:36:03Z
dc.date.available	2018-09-05T08:36:03Z
dc.date.issued	2018-09-05
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/47517
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.15705
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Simulation	el
dc.subject	UMR-PRU	en
dc.subject	Dehydration	en
dc.subject	TEG	en
dc.subject	Natural gas	en
dc.title	Simulation of a natural gas TEG dehydration plant	en
dc.title	Προσομοίωση διεργασίας αφυδάτωσης φυσικού αερίου με χρήση τριαιθυλενογλυκόλης (TEG)	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Thermodynamics	en
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/818b3f4597347b0748b1c62b91d4188d897dbb07
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-06-28
heal.abstract	Natural gas is saturated with water at reservoir conditions. For this reason it is necessary to remove it to avoid operational problems, such as corrosion, hydrate formation or slug flow, during the transportation or processing of natural gas. This is usually obtained by dehydration, which is a process thanks to which water is removed from the gas to prevent its condensation under high pressure or low temperature conditions. Typically, in offshore units, dehydration by some glycol desiccant, usually triethylene glycol (TEG), occurs. Although it is a generally used procedure in industrial practice, several parameters affect its efficiency, such as the glycol circulation rate, the operating conditions of the columns, the way by which the purity of the glycol is enhanced during regeneration etc. In particular, since it is not possible to work close to TEG boiling point, the lean TEG purity required by the absorption process is obtained in the regeneration section with enhanced methods, as the addition of stripping gas or setting vacuum conditions in the distillation column. For this reason, in this work, a sensitivity analysis of several operating variables of the process has been conducted. Namely, the effect of the temperature and pressure of the glycol contactor and regenerator, the temperature obtained after the heat exchangers and the stripping gas rate. This has been achieved by simulating a typical dehydration unit, based on conditions taken from the literature, in the Aspen HYSYS vs 8.8. environment. For the simulation two different thermodynamic models have been considered. That is the proposed by HYSYS for the use in dehydration TST-NRTL model and the UMR-PRU model which has been developed in the thermodynamics and transport phenomena laboratory and is known to yield satisfactory results for natural gas mixtures and it is implemented into HYSYS through the CAPE-OPEN 1.1 protocol. From the sensitivity analysis, it has been established that an increase of the flash drum temperature and of the temperature of the stream which enters at the regenerator leads to a lower water content, with decrease of the required duties at the same time. For that reason, an optimization of the process in terms of required duties has been conducted. The optimization occurred on the basis of a 30 ppm water content in the dry gas, as the required specification, which occurred using the stripping gas rate as independent variable. It is resulted that by increasing the temperature of the stream entering the regenerator to 137oC and the flash drum temperature to 100oC for the TST-NRTL or 90oC for the UMR-PRU, there is an 9% decrease to the required reboiler duty for the first and a 8.2% decrease for the latter. This is also reflected to a 21% decrease in the stripping gas rate for the first and a 26% for the second. The cooler duty decreases as well at the optimized conditions, with a difference of 17% for TST-NRTL model and 14% with UMR-PRU. Instead, the duties of the two pumps are almost the same for both operating conditions. Following the results of the sensitivity analysis, a preliminary economic evaluation of the unit is conducted in terms of installed and operating cost. The economic evaluation occurs for both the initial considered case and the optimized one, for each of the examined thermodynamic models. It is concluded that there is an about 5% difference between the obtained by HYSYS capital cost and the cost calculated through generalized correlations for each part of the equipment, while no significant difference is observed between base and optimized conditions. All obtained values are considered inside the uncertainty of the calculations and in good accordance with the available literature data, since the deviation in the case of the optimized simulation with UMR-PRU model is about 15 %, from the latter. Considering the operational costs, instead, a 8% decrease is obtained for the optimized conditions for the TST-NRTL model and 7% for the UMR-PRU, which corresponds to a saving of about 15700$/year. Finally, the simulation of the dehydration of a real gas mixture occurred. It is concluded that both models are able to meet the required specification of 30 ppm of water content in the dry gas, yielding similar results with those observed in the synthetic gas case. The models differ in the calculated stripping gas rate. Actually, TST-NRTL results in higher stripping gas rate compared to UMR-PRU. The models differ, also, in the heavier components distribution in the glycol-rich streams, with UMR-PRU to result generally in higher hydrocarbon loss. The same is valid for the calculated TEG loss. From all the examined cases, it has been shown that the difference between the models is more profound in the calculated duties, where UMR-PRU systematically yields lower duty compared to TST-NRTL. Due to the better prediction of the aqueous TEG mixture heat capacity with the UMR-PRU model, its predictions in terms of duties are expected to be closer to the actual process data. Furthermore, UMR-PRU results in higher hydrocarbon loss in glycol-rich streams and higher TEG loss in the vapor stream which are closer to the corresponding phase equilibrium data. Overall, it is concluded that the UMR-PRU model yields better results than the proposed by HYSYS TST-NRTL model in the simulation of a TEG dehydration unit.	en
heal.abstract	Το φυσικό αέριο περιέχει εκ φύσεως υδρατμούς σε συνθήκες ταμιευτήρα. Η απομάκρυνση του νερού από το αέριο είναι απαραίτητη ώστε να αποφευχθούν λειτουργικά προβλήματα κατά τις διεργασίες μεταφοράς και επεξεργασίας του αερίου. Η ύπαρξη του νερού, για παράδειγμα σε συνθήκες χαμηλής θερμοκρασίας και υψηλής πίεσης, όπως αυτές που επικρατούν στους υποθαλάσσιους αγωγούς μεταφοράς, μπορεί να οδηγήσει σε σχηματισμό υδριτών, ενώ παρουσία όξινων αερίων, μπορεί να οδηγήσει σε διαβρωτικές συνθήκες. Για την αποφυγή των παραπάνω, στη βιομηχανία του φυσικού αερίου είναι σύνηθες να προηγείται μία διεργασία αφυδάτωσης (dehydration). Στις υπεράκτιες πλατφόρμες παραγωγής αερίου, αυτό επιτυγχάνεται μέσω φυσικής απορρόφησης με χρήση ενός διαλύματος γλυκόλης, συνήθως τριαιθυλενογλυκόλης (TEG). Αν και η διεργασία της αφυδάτωσης χρησιμοποιείται κατά κόρον στη βιομηχανία, αρκετές παράμετροι επηρεάζουν την ομαλή λειτουργία και την αποδοτικότητά της, όπως είναι ο ρυθμός κυκλοφορίας του διαλύματος γλυκόλης, οι λειτουργικές συνθήκες (πίεση, θερμοκρασία) των πύργων απορρόφησης και αναγέννησης, αντίστοιχα, οι θερμοκρασίες εισόδου στο δοχείο εκτόνωσης ή στον πύργο αναγέννησης κ.α.. Στην παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε ανάλυση ευαισθησίας ορισμένων λειτουργικών μεταβλητών που επηρεάζουν τη διεργασία. Πιο συγκεκριμένα, μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας και της πίεσης λειτουργίας των πύργων απορρόφησης και αναγέννησης της γλυκόλης, η θερμοκρασία λειτουργίας του δοχείου εκτόνωσης και η θερμοκρασία εισόδου του ρεύματος της γλυκόλης στον πύργο αναγέννησης, καθώς και η επίδραση της παροχής του αερίου απογύμνωσης (stripping gas). Για την επίτευξη της παραπάνω ανάλυσης, μία τυπική μονάδα αφυδάτωσης φυσικού αερίου, βασισμένη σε λειτουργικά δεδομένα που λήφθηκαν από τη βιβλιογραφία, προσομοιώθηκε στο περιβάλλον του Aspen HYSYS vs 8.8, βασισμένο σε μοντέλο ισορροπίας. Για την περιγραφή των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων του συστήματος, μελετήθηκαν δύο διαφορετικά θερμοδυναμικά μοντέλα: το προτεινόμενο από το HYSYS για χρήση σε τέτοιες διεργασίες TST-NRTL και ένα μοντέλο που έχει αναπτυχθεί στο εργαστήριο θερμοδυναμικής και φαινομένων μεταφοράς του ΕΜΠ και δίνει καλά αποτελέσματα σε μίγματα φυσικών αερίων, το UMR-PRU. Το τελευταίο, δεν είναι ενσωματωμένο σε εμπορικούς προσομοιωτές, οπότε εισάγεται σε αυτούς μέσω του πρωτοκόλλου CAPE OPEN 1.1. Από τα αποτελέσματα των αναλύσεων ευαισθησίας προέκυψε ότι η αύξηση της θερμοκρασίας εισόδου στο δοχείο εκτόνωσης καθώς και η θερμοκρασία εισόδου του ρεύματος γλυκόλης στον αναγεννητή, μπορεί να βελτιώσει την απομάκρυνση του νερού από το αέριο με ταυτόχρονη μείωση του απαιτούμενου θερμικού φορτίου στον αναβραστήρα της στήλης αναγέννησης. Βάσει των παραπάνω, πραγματοποιήθηκε αριστοποίηση της διεργασίας με στόχο τη μείωση των απαιτούμενων φορτίων και ως εκ τούτου, εμμέσως του λειτουργικού κόστους της μονάδας. Για το σκοπό της αριστοποίησης θεωρήθηκε μία προδιαγραφή 30 ppm νερού στο ρεύμα του ξηρού αερίου, που επιτεύχθηκε με τη χρήση της ροής αερίου απογύμνωσης ως ανεξάρτητης μεταβλητής. Τα αποτελέσματα της βελτιστοποίησης έδειξαν ότι η αύξηση της θερμοκρασίας εισόδου στον αναγεννητή στους 137oC και της θερμοκρασίας λειτουργίας του δοχείου εκτόνωσης στους 100oC για το TST-NRTL και στους 90oC για το UMR-PRU, οδηγεί σε 9% μείωση θερμικού φορτίου του αναβραστήρα της στήλης αναγέννησης για το πρώτο και 8.2% για το δεύτερο. Αυτή η μείωση, οδηγεί και σε αντίστοιχη μείωση του απαιτούμενου αερίου απογύμνωσης, που είναι 21% για το πρώτο και 26% στην περίπτωση του δεύτερου. Επιπλέον, παρατηρείται μείωση του απαιτούμενου φορτίου στον ψυκτήρα γλυκόλης κατά 17% για το TST-NRTL και 21% για το UMR-PRU, κατά τις αριστοποιημένες συνθήκες λειτουργίας. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε προκαταρκτική οικονομική ανάλυση της διεργασίας, χρήσει και των δύο θερμοδυναμικών μοντέλων, σε συνθήκες βάσης και αριστοποίησης. Η ανάλυση βασίστηκε στα πάγια κόστη εγκατάστασης και στο λειτουργικό κόστος, όπως αυτό προκύπτει από τις απαιτούμενες παροχές σε θέρμανση, ψύξη και ηλεκτρισμό. Δύο μέθοδοι χρησιμοποιήθηκαν για την επίτευξη αυτού του σκοπού: η οικονομική ανάλυση από το περιβάλλον του HYSYS καθώς και αναλυτικός υπολογισμός του κόστους κάθε τμήματος εξοπλισμού βασισμένο σε συσχετίσεις της βιβλιογραφίας. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης ως προς το πάγιο κόστος εγκατάστασης έδειξαν ότι δεν υπάρχει σημαντική διαφοροποίηση μεταξύ των βασικών συνθηκών λειτουργίας και των βελτιστοποιημένων. Μεταξύ, όμως, των τιμών που υπολογίστηκαν από το λογισμικό HYSYS ICARUS και τις γενικευμένες συσχετίσεις προκύπτει μία διαφορά ίση με περίπου 5% σε όλες τις μελετούμενες περιπτώσεις. Οι διαφορές αυτές θεωρούνται λογικές δεδομένου του προκαταρκτικού σχεδιασμού και των απλοποιητικών παραδοχών που πραγματοποιήθηκαν. Επιπλέον, οι υπολογισμένες τιμές είναι συγκρίσιμες με τιμές που δίνονται στη βιβλιογραφία για το κόστος μίας τέτοιας μονάδας. Πιο συγκεκριμένα, τα υπολογισμένα κόστη για τις αριστοποιημένες συνθήκες λειτουργίας με το UMR-PRU μοντέλο αποκλίνουν κατά περίπου 15% από τις βιβλιογραφικές τιμές. Όσον αφορά στον υπολογισμό του λειτουργικού κόστους της μονάδας, παρατηρείται μία σημαντική μείωση του κόστους στην περίπτωση των αριστοποιημένων συνθηκών και με τα δύο μελετούμενα μοντέλα. Ειδικότερα, στην περίπτωση του TST-NRTL το λειτουργικό κόστος μειώνεται κατά 8%, ενώ σε αυτή του UMR-PRU κατά 7%. Αυτή η μείωση αντιστοιχεί σε περιθώριο κέρδους σε ετήσια βάση κατά περίπου 15700$. Τέλος, πραγματοποιήθηκε προσομοίωση μίας μονάδας αφυδάτωσης που τροφοδοτείται με πραγματικό αέριο και με τα δύο εξεταζόμενα θερμοδυναμικά μοντέλα. Η ανάλυση έγινε και σε αυτή την περίπτωση στη βάση της προδιαγραφής των 30 ppm νερού στο παραγόμενο ξηρό αέριο, που και τα δύο μοντέλα προσομοίωσαν επιτυχώς. Τα αποτελέσματα που παρατηρήθηκαν είναι παρόμοια με αυτά του συνθετικού αερίου. Ειδικότερα, τα μοντέλα απαιτούν τον ίδιο ρυθμό ανακυκλοφορίας γλυκόλης και την ίδια καθαρότητα γλυκόλης για την επίτευξη της προδιαγραφής. Ωστόσο, και σε αυτή την περίπτωση το UMR-PRU απαιτεί μικρότερη ροή αερίου απογύμνωσης, συγκρινόμενο με το TST-NRTL. Όπως και στην περίπτωση του συνθετικού αερίου, το UMR-PRU μοντέλο οδηγεί σε κατά περίπου 19% μικρότερο φορτίο. Επιπλέον, τα μοντέλα διαφέρουν ως προς την κατανομή των βαρύτερων συστατικών στα πολικά ρεύματα, με το UMR-PRU να οδηγεί σε υψηλότερες διαλυτότητες και άρα και μεγαλύτερη απώλεια υδρογονανθράκων. Το ίδιο ισχύει και για τις απώλειες της TEG στο ρεύμα του αερίου. Τέλος, σε όλες τις προηγούμενες αναλύσεις αποδείχθηκε ότι η σημαντικότερη διαφοροποίηση στην πρόβλεψη των μοντέλων έγκειται στον υπολογισμό των απαιτούμενων θερμικών φορτίων, όπου το UMR-PRU συστηματικά προβλέπει μικρότερες τιμές. Αυτό αποδίδεται στην πρόβλεψη της ειδικής θερμοχωρητικότητας που είναι συστηματικά μικρότερη στην περίπτωση του UMR-PRU σε σχέση με αυτή που υπολογίζεται μέσω του TST-NRTL. Επειδή η πρόβλεψη του UMR-PRU είναι καλύτερη στην περίπτωση της ειδικής θερμοχωρητικότητας του υδατικού μίγματος TEG, θεωρείται ότι τα αποτελέσματά του ως προς την πρόβλεψη των απαιτούμενων φορτίων θα είναι πιο κοντά στις πραγματικές τιμές. Επιπλέον, οι προβλέψεις των μοντέλων διαφοροποιούνται ως προς τις απώλειες υδρογονανθράκων στο ρεύμα γλυκόλης και TEG στα αέρια ρεύματα, όπου το UMR-PRU συστηματικά καταλήγει σε μεγαλύτερες τιμές. Λόγω της καλύτερης πρόβλεψης της ισορροπίας φάσεων των αντίστοιχων δυαδικών μιγμάτων, τα αποτελέσματα του UMR-PRU θεωρούνται ότι θα είναι πιο κοντά στις πραγματικές τιμές. Συνοψίζοντας, στην παρούσα εργασία αποδείχθηκε ότι το μοντέλο UMR-PRU μπορεί να προσομοιώσει επιτυχώς μία διεργασία αφυδάτωσης φυσικού αερίου, οδηγώντας σε παρόμοια και σε ορισμένες περιπτώσεις καλύτερα αποτελέσματα συγκρινόμενο με αυτά που υπολογίζονται μέσω του μοντέλου TST-NRTL που προτείνεται από το HYSYS για την προσομοίωση τέτοιων διεργασιών.	el
heal.advisorName	Voutsas, Epaminondas	en
heal.committeeMemberName	Magoulas, Konstantinos	en
heal.committeeMemberName	Pappa, Athina	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ). Εργαστήριο Θερμοδυναμικής και Φαινομένων Μεταφοράς	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	104
heal.fullTextAvailability	true