Προσομοίωση της κατανομής του υδραργύρου σε μονάδα επεξεργασίας φυσικού αερίου

Βουλγαροπούλου, Στυλιανή; Voulgaropoulou, Styliani

dc.contributor.author	Βουλγαροπούλου, Στυλιανή
dc.contributor.author	Voulgaropoulou, Styliani	en
dc.date.accessioned	2022-01-14T08:15:52Z
dc.date.available	2022-01-14T08:15:52Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/54309
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.22007
dc.rights	Default License
dc.subject	Υδράργυρος	el
dc.subject	Φυσικό αέριο	el
dc.subject	Μονάδα επεξεργασίας	el
dc.subject	Πειραματική μέτρηση	el
dc.subject	Mercury	en
dc.subject	θερμοδυναμική μοντελοποίηση	el
dc.subject	Natural gas	en
dc.subject	Processing unit	en
dc.subject	Experimental measurement	en
dc.subject	Thermodynamic modelling	en
dc.title	Προσομοίωση της κατανομής του υδραργύρου σε μονάδα επεξεργασίας φυσικού αερίου	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Χημική Μηχανική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-10-08
heal.abstract	The presence of mercury and its compounds in fossil fuels has a great impact on their processing. Although in traces (in order of magnitude of ppb), the various forms of mercury, depending on the processing conditions, are detected in both gas and liquid phase, thus causing technical and environmental problems. Despite its toxic nature, mercury can poison catalysts and corrode the equipment used in processing plants. This type of corrosion is due to the formation of amalgams, which destroy the protective film on the metal surface responsible for preventing its oxidation. Therefore, there are various risks due to mercury presence in fossil fuels, such as equipment degradation, the safety of the workers and environmental contamination. As fossil fuels are depleting, the exploitation of deeper deposits is needed, whose mercury concentration is increased. Therefore, stricter mercury management measures are required during hydrocarbon processing in order to avoid the aforementioned consequences. However, in order to take right measures, the mercury behavior and distribution in a fossil fuel processing plant must first be understood. The purpose of this diploma thesis is to study mercury distribution in an existing natural gas processing plant. The processing plant was simplified for simulation purposes due to the complexity of the actual processes, through the commercial simulator Unisim Design and three case studies were examined. Those case studies differ in volumetric flow concerning the input streams of the plant and there are Hg concentration measurements from various points in the processing plant for each case study available by Equinor ASA, Norway. It is also noted that the points of measurement refer to gas streams, and mercury is introduced into the simulation as elemental. Therefore, the calculated concentrations are compared with the corresponding experimental mercury concentrations and the distribution of mercury throughout the processing plant was studied. Mercury distribution is predicted using two thermodynamic models, the Peng-Robinson cubic equation of state (PR) and the EoS/GE UMR-PRU model. These models were selected based on their ability to predict the phase equilibria of mercury in natural gas and their application by the industry. In particular, both are shown to predict mercury concentrations similarly, while UMR-PRU calculated a larger amount of mercury in the liquid hydrocarbon phase. It is also noted that the characterization of the heavy fraction of natural gas used for PR model is the one given by Equinor, while for the UMR-PRU model it was characterized according to the method proposed by the Laboratory of Thermodynamics and Transfer Phenomena. It was proved that the ratio of the Hg amount contained in the two inlets plays an important role in the final mercury distribution in the products. Specifically, in case study 2, in which the mass of mercury contained in one of the two inlets of the plant is significantly greater than the other (inlet B-C relative to inlet A), it results in about 60% of the Hg mass that is introduced in the plant to end up in the condensate while about 40% in the gas products. In contrast, in case studies 1 & 3 where this is not the case, it appears that about 60% of the mass of mercury entering the plant is found in the gas products while the remaining 40% in the condensate. As for the Hg concentrations calculated corresponding to the ones obtained experimentally, for all case studies it is concluded that both models succeed in predicting Hg concentrations in the same order of magnitude as the corresponding experimental ones, since mercury concentration in natural gas is in ppb order of concentration. In addition, the effect of the characterization method on Hg distribution in the processing plant was studied. It was examined for all three case studies. Specifically, for the UMR-PRU model, the effect of the number of pseudo-components in the heavy fraction of natural gas on mercury distribution when it is 10, 12 and 14 was examined. The results show that the different number of pseudo-components does not affect the distribution of mercury provided by the UMR-PRU. Moreover, the prediction of the Hg distribution by the PR model using the same pseudocomponents used for the UMR-PRU was examined. As in the previous case, both the pseudo-components provided by Equinor ASA, Norway and those derived from the UMR-PRU characterization method result in a similar mercury distribution in the processing plant. Also, the effect on mercury distribution when one of the inlet volumetric flows is equal to zero was studied. The basis of calculations was case study 2 as its processing conditions are more representative of the normal operating conditions in the processing plant. It was shown that there is an important impact on both concentrations of the products and the distribution of mercury depending on which inlet flowrate was set to zero. Finally, the effect of changing the Cricondentherm specification on Hg distribution is examined. The change of this specification is made by adjusting the processing conditions in the DPC (Dew Point Control unit) and finally it turned out that with the increase of Cricondentherm more mercury is found in gas products, while for a Cricondentherm value of the gas products and higher the % distribution of Hg in the products remains practically constant. In conclusion, both thermodynamic models, PR and UMR-PRU, are able to satisfactorily describe the distribution of Hg in a gas treatment plant, with the latter having an advantage as it is a predictive model.	en
heal.abstract	Η παρουσία του υδραργύρου και των ενώσεων του στα ορυκτά καύσιμα έχει μεγάλο αντίκτυπο στην επεξεργασία τους. Αν και σε ίχνη (της τάξης των ppb), οι διάφορες μορφές του υδραργύρου, ανάλογα με τις συνθήκες επεξεργασίας, εντοπίζονται τόσο στην αέρια όσο και στην υγρή φάση, προκαλώντας έτσι τεχνικά και περιβαλλοντικά προβλήματα. Πέραν της τοξικής του φύσης, ο υδράργυρος δηλητηριάζει τους καταλύτες και διαβρώνει τον μεταλλικό εξοπλισμό που χρησιμοποιείται σε μονάδες επεξεργασίας. Η διάβρωση αυτή οφείλεται στο σχηματισμό αμαλγαμάτων, τα οποία καταστρέφουν την προστατευτική στρώση του μετάλλου υπεύθυνη για προστασία από την οξείδωση. Επομένως, εγκυμονούν διάφοροι κίνδυνοι από την παρουσία του υδραργύρου στα ορυκτά καύσιμα, όπως η καταστροφή του εξοπλισμού, η ασφάλεια των εργαζομένων και η μόλυνση του περιβάλλοντος. Καθώς οι ορυκτοί πόροι εξαντλούνται, δημιουργείται η ανάγκη εκμετάλλευσης βαθύτερων κοιτασμάτων, των οποίων όμως η περιεκτικότητα σε υδράργυρο είναι αυξημένη. Επομένως, απαιτούνται πιο αυστηρά μέτρα διαχείρισης του υδραργύρου κατά την επεξεργασία των υδρογονανθράκων προκειμένου να αποφευχθούν οι προαναφερθείσες συνέπειες. Προκειμένου όμως να ληφθούν τα σωστά μέτρα θα πρέπει να γίνει κατανοητή η συμπεριφορά και η κατανομή του υδραργύρου σε μία μονάδα επεξεργασίας ορυκτών καυσίμων. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της κατανομής του υδραργύρου σε μία πραγματική μονάδα επεξεργασίας φυσικού αερίου. Η μονάδα επεξεργασίας προσομοιώθηκε, σε σχετικά απλοποιημένη μορφή λόγω της πολυπλοκότητας της πραγματικής διεργασίας, μέσω του εμπορικού προσομοιωτή Unisim Design και εξετάστηκαν τρεις μελέτες περίπτωσης (case study 1, 2 & 3). Τα case study διαφέρουν μεταξύ τους ως προς τις ογκομετρικές ροές των εισόδων στη μονάδα (είσοδος Α και Β-Γ), ενώ για κάθε ένα από αυτά υπάρχουν διαθέσιμες από την εταιρεία Equinor ASA, Νορβηγία πειραματικές μετρήσεις συγκέντρωσης υδραργύρου σε κάποια ρεύματα της μονάδας. Σημειώνεται, επίσης, πως τα σημεία δειγματοληψίας αφορούν αέρια ρεύματα ενώ ο υδράργυρος εισάγεται στην προσομοίωση ως στοιχειακός. Έγινε επομένως σύγκριση των υπολογιζόμενων συγκεντρώσεων με τις αντίστοιχες πειραματικές συγκεντρώσεις υδραργύρου και μελετήθηκε η κατανομή του υδραργύρου σε όλη τη μονάδα επεξεργασίας. Η πρόβλεψη της κατανομής του υδραργύρου πραγματοποιείται με τη χρήση δύο θερμοδυναμικών μοντέλων, την κυβική καταστατική εξίσωση Peng-Robinson (PR) και το EoS/GE μοντέλο UMR-PRU. Τα μοντέλα αυτά επιλέχθηκαν με βάση την ικανότητα τους να προβλέπουν την ισορροπία φάσεων του υδραργύρου στο φυσικό αέριο και τη χρήση τους από τη βιομηχανία. Συγκεκριμένα, αποδεικνύεται πως και τα δύο προβλέπουν παρόμοια τις συγκεντρώσεις υδραργύρου, με το UMR-PRU να υπολογίζει μεγαλύτερη ποσότητα υδραργύρου στην υγρή υδρογονανθρακική φάση. Σημειώνεται, επίσης, πως ο χαρακτηρισμός του βαρέος κλάσματος του φυσικού αερίου για την ΚΕ PR είναι αυτός που δόθηκε από την εταιρεία Equinor, ενώ για το μοντέλο UMR-PRU πραγματοποιήθηκε εκ νέου χαρακτηρισμός του σύμφωνα με τη μέθοδο χαρακτηρισμού που προτείνεται από το Εργαστήριο Θερμοδυναμικής και Φαινομένων Μεταφοράς. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν αποδεικνύουν πως η σχέση της ποσότητας Hg που περιέχεται στις δύο εισόδους της μονάδας μεταξύ τους παίζει σημαντικό ρόλο στην τελική κατανομή του υδραργύρου στα προϊόντα. Συγκεκριμένα, στο case study 2, όπου η μάζα του υδραργύρου που περιέχεται στην μία εκ των δύο εισόδων του εργοστασίου είναι σημαντικά μεγαλύτερη από την άλλη (η είσοδος Β-Γ ως προς την είσοδο Α), προκύπτει περίπου το 60% της μάζας Hg που εισάγεται στο εργοστάσιο να καταλήγει στο υγρό συμπύκνωμα ενώ περίπου το 40% στα αέρια προϊόντα. Αντίθετα, στα case studies 1 & 3 όπου δεν συμβαίνει αυτό, προκύπτει το αντίστροφο, περίπου το 60% της μάζας του υδραργύρου που εισέρχεται στο εργοστάσιο εντοπίζεται στα αέρια προϊόντα ενώ το υπόλοιπο ̴40% στο υγρό συμπύκνωμα. Ως προς τις συγκεντρώσεις Hg που υπολογίζονται στα σημεία που λήφθηκαν πειραματικές μετρήσεις, για όλα τα case studies εξάγεται το συμπέρασμα πως και τα δύο μοντέλα επιτυγχάνουν να προβλέψουν ικανοποιητικά τις συγκεντρώσεις Hg στις περισσότερες περιπτώσεις λαμβάνοντας υπόψη και και τις ιδιαίτερα χαμηλές συγκεντρώσεις του Hg της τάξεως των ppb. Επιπλέον, μελετήθηκε η επίδραση της μεθόδου χαρακτηρισμού στην κατανομή του Hg κατά τη προσομοίωση της μονάδας επεξεργασίας. Η επίδραση αυτή εξετάστηκε και για τα τρία case studies. Συγκεκριμένα, για το μοντέλο UMR-PRU εξετάστηκε η επίδραση του αριθμού των ψευδοσυστατικών που απαρτίζουν το βαρύ κλάσμα του φυσικού αερίου, όταν αυτός είναι 10, 12 και 14. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν αποδεικνύουν πως ο διαφορετικός αριθμός ψευδοσυστατικών δεν επηρεάζει τη κατανομή του υδραργύρου που προβλέπει το UMR-PRU. Στη συνέχεια, εξετάστηκε η πρόβλεψη της κατανομής Hg από το μοντέλο PR με χρήση του χαρακτηρισμού για το βαρύ κλάσμα του φυσικού αερίου που χρησιμοποιείται για το UMR-PRU. Όπως και στη προηγούμενη περίπτωση τόσο τα ψευδοσυστατικά που παρέχονται από την Equinor ASA, Νορβηγία όσο και αυτά που προκύπτουν από τη μέθοδο χαρακτηρισμού για το UMR-PRU οδηγούν σε όμοια αποτελέσματα για την κατανομή του υδραργύρου στη μονάδα επεξεργασίας. Επίσης, μελετήθηκε η επίδραση του μηδενισμού μίας εκ των παροχών εισόδου στην κατανομή του υδραργύρου. Βάση υπολογισμών αποτέλεσε το case study 2 καθώς οι παροχές των εισόδων είναι περισσότερο αντιπροσωπευτικές των κανονικών συνθηκών λειτουργίας της μονάδας επεξεργασίας. Αποδείχθηκε, εν τέλει, πως σημαντικό ρόλο έχει τόσο στις συγκεντρώσεις των προϊόντων όσο και στην κατανομή του υδραργύρου ποια από τις δύο είσοδος μηδενίζεται. Τέλος, εξετάζεται η επίδραση της μεταβολής της προδιαγραφής του Cricondentherm στην κατανομή Hg. Η μεταβολή της προδιαγραφής αυτής πραγματοποιείται ρυθμίζοντας τις συνθήκες επεξεργασίας στη μονάδα DPC (Dew Point Control unit) και τελικά προέκυψε πως με την άνοδο του Cricondentherm περισσότερος υδράργυρος εντοπίζεται στα αέρια προϊόντα, ενώ για μία τιμή Cricondentherm των αέριων προϊόντων και υψηλότερων της η %κατανομή του Hg στα προϊόντα παραμένει πρακτικά σταθερή. Συμπερασματικά, αποδεικνύεται πως και τα δύο θερμοδυναμικά μοντέλα, PR και UMR-PRU, είναι σε θέση να περιγράψουν ικανοποιητικά την κατανομή του Hg σε μια μονάδα επεξεργασίας φυσικού αερίου, με το δεύτερο να πλεονεκτεί καθώς πρόκειται για ένα μοντέλο πρόρρησης.	el
heal.advisorName	Βουτσάς, Επαμεινώνδας	el
heal.committeeMemberName	Βουτσάς, Επαμεινώνδας	el
heal.committeeMemberName	Μαγουλάς, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Τζαμτζής, Νικόλαος	el
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	91 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false