Μελέτη και προσομοίωση της διεργασίας ανάκτησης υγρών προϊόντων φυσικού αερίουμε στόχο την ενεργειακή της βελτιστοποίηση

Γιαννακάρη, Ελένη; Giannakari, Eleni

dc.contributor.author	Γιαννακάρη, Ελένη	el
dc.contributor.author	Giannakari, Eleni	en
dc.date.accessioned	2018-10-11T08:45:49Z
dc.date.available	2018-10-11T08:45:49Z
dc.date.issued	2018-10-11
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/47773
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.8731
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Παραγωγή και Διαχείρηση Ενέργειας”	el
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	Υγρά προϊόντα φυσικού αερίου	el
dc.subject	Natural gas liquids	en
dc.subject	Parametric analysis	en
dc.subject	Διεργασίες ανάκτησης	el
dc.subject	Methane	en
dc.subject	Μεθάνιο	el
dc.subject	Παραμετρική ανάλυση	el
dc.subject	Ενεργειακή βελτιστοποίηση	el
dc.subject	Optimization	en
dc.title	Μελέτη και προσομοίωση της διεργασίας ανάκτησης υγρών προϊόντων φυσικού αερίουμε στόχο την ενεργειακή της βελτιστοποίηση	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ	el
heal.classification	NATURAL GAS	en
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/d4c917744edaaf8dabe32b63f20e68a8f0b38e8a
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/d4c917744edaaf8dabe32b63f20e68a8f0b38e8a
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-09-27
heal.abstract	Το φυσικό αέριο αποτελεί μια από τις πλέον βασικότερες πηγές ενέργειας με ολοένα και αυξανόμενη χρήση σε παγκόσμιο επίπεδο. Βασικό συστατικό του είναι το μεθάνιο, ενώ συνυπάρχουν σε αυτό σημαντικές ποσότητες «βαρύτερων» υδρογονανθράκων καθώς και διοξείδιο του άνθρακα, άζωτο, κ.ά. Τα υγρά προϊόντα φυσικού αερίου (Natural Gas Liquids, NGL) είναι υδρογονάνθρακες μεγαλύτερου μοριακού βάρους από το μεθάνιο, που διαχωρίζονται από το φυσικό αέριο με τη μορφή υγρών, ενώ το μεθάνιο που ανακτάται προωθείται προς πώληση. Υπάρχουν χρήσεις των NGL που καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών (πρώτες ύλες στις πετροχημικές εγκαταστάσεις, καύσιμα οχημάτων, καύσιμα για θέρμανση) που καθιστούν το διαχωρισμό τους οικονομικά απαραίτητο. Ο διαχωρισμός των συστατικών του φυσικού αερίου γίνεται σε συστήματα με αποστακτικές στήλες, όπου το φυσικό αέριο ψύχεται για να μεταβεί σε υγρή μορφή, και μέσω μιας αλληλουχίας διεργασιών φτάνει σε τέτοιες συνθήκες, ώστε να είναι δυνατή η απομάκρυνση του εκάστοτε συστατικού του. Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της διεργασίας ανάκτησης των NGL και η ενεργειακή της βελτιστοποίηση με έμφαση στο εξωτερικό ψυκτικό φορτίο που απαιτείται. Οι διεργασίες ανάκτησης συστατικών απαρτίζονται από αποστακτικές στήλες, στροβίλους, εξωτερικούς ψυκτικούς κύκλους, εναλλάκτες κ.ά., ενώ οι συνθήκες διαχωρισμού είναι κρυογενικές, καθώς απαιτούνται θερμοκρασίες χαμηλότερες από -85oC. Η αλληλεπίδραση των διαφορετικών μονάδων και οι ακραίες συνθήκες λειτουργίας καθιστούν αυτού του είδους τις διεργασίες ενεργειακά και οικονομικά «ακριβές», καθιστώντας απαραίτητο το βέλτιστο σχεδιασμό τους.Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η προσομοίωση και βελτιστοποίηση της διεργασίας ανάκτησης μεθανίου και NGL. Η προσομοίωση πραγματοποιείται με χρήση του λογισμικού UniSim Design® της εταιρείας Honeywell. Πραγματοποιείται διερεύνηση των συνθηκών που ικανοποιούν την απαίτηση ανάκτησης αερίου πώλησης με περιεκτικότητα σε μεθάνιο 96%, με όσο το δυνατόν χαμηλότερη ενεργειακή κατανάλωση. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στο σύστημα εξωτερικής ψύξης του εισερχόμενου αερίου, διότι σε αυτό το τμήμα της διεργασίας εντοπίζεται η μεγαλύτερη κατανάλωση ισχύος. Για το λόγο αυτό αρχικά διερευνάται ποιος συνδυασμός ψυκτικού κύκλου και εργαζόμενου μέσου συμβάλλει στην ελαχιστοποίηση του έργου που καταναλώνεται στον κύκλο ψύξης, εξετάζοντας ταυτόχρονα διάφορες συνθήκες λειτουργίας και μεθόδους προσέγγισης. Ο ψυκτικός κύκλος που επιλέγεται είναι ένας κύκλος με διβάθμια συμπίεση ατμών, με χρήση ψυκτικού μέσου που εξατμίζεται και συμπυκνώνεται εναλλάξ, και θάλαμο ανάμιξης, που λειτουργεί σαν εξατμιστήρας ή σαν συμπυκνωτής για το συνδυασμό των δύο βαθμίδων. Τα ψυκτικά μέσα που μελετώνται αποτελούν χαρακτηριστικά δείγματα από την κατηγορία που αντιπροσωπεύουν, δεδομένου ότι ανάλογα με τη σύνθεσή τους κατηγοριοποιούνται σε αντίστοιχες ομάδες. Τα εργαζόμενα μέσα εξετάζονται και αξιολογούνται για τις ίδιες αρχικές συνθήκες που αφορούν είτε τις πίεσεις λειτουργίας των συμπιεστών είτε τις ακραίες θερμοκρασίες του ψυκτικού κύκλου και για την ίδιατιμή ψυκτικού καθήκοντος του κύκλου. Τα μεγέθη που συγκρίνονται συμπεριλαμβάνουν τις τάσεις ατμών, τις πυκνότητες των μέσων, το συνολικό έργο των δύο συμπιεστών και κατ’ επέκταση το COP του κύκλου. Η σωστή αξιολόγηση των ψυκτικών μέσων προϋποθέτει τη σωστή περιγραφή της συμπεριφοράς τους. Πριν γίνει αξιολόγηση των μέσων, προηγείται αξιολόγηση δύο καταστατικών εξισώσεων συγκρίνοντας πειραματικές τιμές βασικών θερμοδυναμικών ιδιοτήτων με αυτές που υπολογίζονται από τις δύο καταστατικές, στο θερμοκρασιακό εύρος που έχει οριστεί. Η καταστατική εξίσωση με το μικρότερο μέσο σχετικό σφάλμα σε σχέση με τις πειραματικές τιμές είναι η Peng- Robinson, ενώ το προπάνιο αναδεικνύεται ως το καταλληλότερο εργαζόμενο μέσο στις συνθήκες που εξετάζονται. Στη συνέχεια, εφόσον έχει επιλεγεί ο βέλτιστος ενεργειακά ψυκτικός κύκλος, γίνεται η ενσωμάτωσή του στη διεργασία διαχωρισμού του μεθανίου και των NGL από το φυσικό αέριο. Κύριο ρόλο της διεργασίας κατέχει η στήλη απόσταξης και οι συνθήκες λειτουργίας της. Ξεκινώντας απο ένα αρχικό σενάριο για τις συνθήκες λειτουργίας της διεργασίας, ακολουθεί παραμετρική ανάλυση των βασικότερων μεταβλητών που επηρεάζουν την απαίτηση καθαρότητας του λαμβανόμενου μεθανίου, που συμπεριλαμβάνουν την πίεση λειτουργίας της στήλης, την ποσότητα ατμοποιημένου φυσικού αερίου προς τα ανώτερα ρεύματα της στήλης, τη θερμοκρασία εξόδου από τον ψυκτικό κύκλο και την ποσότητα του ρεύματος ανακυκλοφορίας. Αφού ληφθεί η ζητούμενη καθαρότητα του αερίου πώλησης, γίνεται αξιολόγηση των εναλλακτικών προσεγγίσεων και σχολιασμός των αποτελεσμάτων. Διαπιστώνεται πως η τιμή της πίεσης λειτουργίας της στήλης έχει τη μεγαλύτερη επίδραση στην τελική καθαρότητα του λαμβανόμενου μεθανίου, ενώ οι υπόλοιπες μεταβλητές επηρεάζουν κυρίως το ποσό της απαιτούμενης ισχύος της διεργασίας. Η συνολική ισχύς που απαιτείται για επίτευξη του στόχου ορίζεται ως το άθροισμα της ισχύος του επανασυμπιεστή και της ισχύος στον ψυκτικό κύκλο, το οποίο καθορίζει το ενεργειακό και οικονομικό κόστος της διεργασίας. Στο τελικό σενάριο που προκύπτει από την παραμετρική ανάλυση, το απαιτούμενο ψυκτικό φορτίο καθώς και η συνολική απαιτούμενη ισχύς αυξάνονται κατά ένα πολύ μικρό ποσό σε σχέση με το αρχικό σενάριο, στο οποίο δεν ικανοποιείται η απαίτηση καθαρότητας του μεθανίου, γεγονός που επιβεβαιώνει ότι οι μεταβολές που έγιναν ως προς τις αρχικές συνθήκες είναι ικανοποιητικές. Τέλος, προτείνεται η ανάλυση της διεργασίας με προσθήκη μιας επιπλέον απαίτησης ως προς την περιεκτικότητα του αιθανίου στο ρεύμα NGL, συνθήκη που εφαρμόζεται αρκετά συχνά στη βιομηχανία.	el
heal.abstract	Natural gas is one of the most basic sources of energy with increasing worldwide use. Its main component is methane, but it also contains significant amounts of "heavier" hydrocarbons, as well as carbon dioxide, nitrogen, etc. Natural Gas Liquids (NGL) are hydrocarbons with higher molecular weight than methane, and are separated from the natural gas in the form of liquids, while the recovered methane is promoted for sale. There are uses of NGLs covering a wide range of applications (raw materials in petrochemical plants, vehicle fuels, heating fuels) that make their separation economically indispensable. The separation of natural gas’ components takes place in systems with distillation columns, where natural gas is cooled in orded to turn into liquid, and through a series of processes reaches such conditions so that it is possible to remove the individual components. The purpose of this paper is to study the NGL recovery process and its energy optimization, with emphasis on the external refrigerant load required. Component recovery processes consist of distillation columns, expanders, external refrigeration cycles, heat exchangers, etc. The separation conditions are cryogenic as temperatures below -85 ° C are required. The interaction of the different units and the extreme operating conditions make these processes "expensive", from both an energy and economical point of view, making their optimal design necessary. The aim of this paper is to simulate and optimize the methane and NGL recovery process. The simulation is done using Honeywell's UniSim Design® software. An exploration of the conditions that meet the demand for gas recovery with a methane content of 96%, with the lowest possible energy consumption, is being analyzed. Special emphasis is given to the external cooling system of the incoming gas, because in this part of the process the greatest power consumption is detected. For this reason, it is first investigated which combination of refrigeration cycle and refrigerant contributes to minimizing the work consumed in the cooling cycle. At the same time various operating conditions and approaches are examined.The refrigeration cycle selected is a cycle with a two-stage vapor compression, where the refrigerant evaporates and is condensed circularly, and a mixing chamber, which acts as an evaporator or as a condenser for the combination of the two stages. The refrigerants studied are typical samples of the category they represent, since they are categorized according to their composition in corresponding groups. The refrigerants are examined and evaluated for the same initial conditions, concerning either the compressor operating pressures or the extreme temperatures of the refrigeration cycle, and the same value of the refrigeration cycle duty. The sizes to be compared include vapor pressures, densities, total work of the two compressors, and thus the COP of the cycle. Proper evaluation of refrigerants requires a correct description of their behavior. Before the evaluation of the refrigerants is done, an evaluation of two equations of state is preceded by comparing experimental values of basic thermodynamic properties with those calculated by the two equations, in the temperature range that has been set. Theequation of state with the lowest average relative error in relation to the experimental values is Peng-Robinson, whereas propane emerges as the most appropriate working refrigerant in the conditions under consideration. Continuing, once the optimal energy refrigeration cycle has been selected, it is embedded in the process of separating methane and NGL from natural gas. The distillation column and its operating conditions play a vital role in the process. Starting from an initial scenario for the operating conditions of the process, a parametric analysis of the basic variables which influence the purity requirement of the methane obtained follows, including the operating column pressure, the vaporized natural gas to the upper column layers, the exit temperature from the refrigeration cycle and the amount of the recirculation stream. After the required purity of the sales gas is obtained, alternative approaches are evaluated and the results are analyzed. It is found that the value of the operating column pressure has the greatest effect on the final purity of the methane obtained, while the other variables mainly affect the amount of the process power required. The total power required to achieve the target is defined as the sum of the compressor power and the refrigeration cycle power, which determines the energy and cost of the process. In the final scenario resulting from the parametric analysis, the required refrigerant power as well as the total required power are slightly increased compared to the initial scenario, in which the methane purity requirement is not met, which confirms that the changes made in the original conditions are satisfying. Finally, it is proposed to analyze the process by adding one more requirement, which concerns the content of ethane in the NGL stream, a condition that is frequently applied in industry.	en
heal.advisorName	Βουτσάς, Επαμεινώνδας	el
heal.committeeMemberName	Βουτσάς, Επαμεινώνδας	el
heal.committeeMemberName	Βλυσίδης, Απόστολος	el
heal.committeeMemberName	Καρώνης, Δημήτρης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	82 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true