A Novel Design for Plate Heat Exchangers in LNG Liquefaction Cycle

Document Type : Original Article

Authors

1 Islamic Azad University, Science and Research Brach,, Tehran, Iran

2 Islamic Azad University, Science and Research Brach, Tehran, Iran

20.1001.1.25885596.2017.2.1.1.0

Abstract

LNG production is an intense and complex process, in which the liquefaction accounts for more than 50% of costs. In recent years, design engineers have been made several attempts to optimize this process. The main objective was to increase the production yield and capacity, and minimize the costs. The most important process equipment in liquefaction stage is devoted to compact heat exchangers of Plate Fin or Spiral Wounded types. This article described the simulation of liquefaction cycle of Iran LNG project with triple mixed refrigerant to provide a new method for designing the plate heat exchanger used in this cycle; in addition, a simple method was introduced for selecting the best secondary surface based on the conceptual development of the volume performance index (VPI). The designed exchanger had the minimum surface area and volume. The reduction of required heat transfer surface area had a significant role in the reduction of investment capital cost in LNG production process.
The liquefaction cycle of Iran LNG was fully investigated in this article as an industrial case. According to the simulation, the cold and hot surface areas of the plate heat exchanger, used in the given process, are as large as 3001m2 and 1933m2 with the overall heat transfer coefficient of 425 W/m2K°; whereas, designing this exchanger by developed rapid design algorithm (RDA) significantly can be reduced the required cold and hot surface areas by 5.2 and 3.3 times, respectively. The overall heat transfer coefficient was also increased by 2 times.

Keywords

Main Subjects

Article Title [فارسی]

یک طراحی نوین برای مبدل های حرارتی صفحه ای در چرخه مایع سازی تولید LNG

Authors [فارسی]

  • محمدرضا جعفری نصر 1
  • الهام محمدی 2

1 گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی و مهندسی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

2 گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی و مهندسی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

Abstract [فارسی]

تولید ال ان جی(LNG) ، فرآیند فشرده و پیچیده ای است که بیش از نیمی از هزینه های آن مربوط به بخش مایع سازی است. در سال‌های اخیر مهندسان طراح، تالش های زیادی جهت بهینه سازی این فرآیند نموده اندکه هدف عمده آنها تلاش در افزایش بازده، بالابردن ظرفیت تولید و به حداقل رساندن هزینه ها بوده است. مهمترین تجهیزات فرآیندی در بخش مایع سازی، مبدل های حرارتی فشرده از نوع صفحه ای یا حلزونی هستند. این مقاله ضمن تشریح شبیه سازی سیکل مایع سازی پروژه ایران ال ان جی با مبرد مخلوط سه گانه به ارائه روشی نوین جهت طراحی مبدل حرارتی صفحه ای به کار رفته در این سیکل پرداخته است. همچنین روشی ساده، برای انتخاب بهترین سطح ثانویه بر اساس توسعه مفهوم شاخص عملکرد حجم (VPI) معرفی گردیده است. مبدل طراحی شده، کمترین سطح و حجم را بدست داده و کاهش سطح انتقال حرارت در آن نقش عمده ای بر کاهش هزینه های سرمایه گذاری فرآیند تولید ال ان جی داشته است. سیکل مایع سازی ایران ال ان جی به بعنوان یک مورد صنعتی در این مطالعه بطورکامل در نظر گرفته شده است. شبیه سازی، سطوح حرارتی سمت سرد و گرم مبدل صفحه ای به کار رفته در فرایند مورد نظر را به ترتیبm2 3001 و m2 1933 و ضریب کلی انتقال حرارت 425 w/m2 K o نشان میدهد. در حالیکه با انجام طراحی این مبدل و توسعه الگوریتم طراحی سریع(RDA)، کاهش قابل ملاحظه‌ای در سطوح سرد و گرم لازم بترتیب به میزان 2/5 و 3/3 برابر و افزایش ضریب کلی انتقال حرارت 2 برابر حاصل شده است.

Keywords [فارسی]

  • گاز طبیعی مایع شده
  • شاخص عملکرد حجم
  • الگوریتم طراحی سریع
  1. Baek, S., Hwang, L., Jeong, C., "Novel design of LNG (liquefied natural gas liquefaction process", Energy convection and management, 52(8-9), 2807-2814, (2011).
  2. Cesar, P., Julio,"A review on heat exchanger thermal hydraulic models for cryogenic applications", Cryogenics, 51(7), 366-379, (2011).
  3. Fossas, Joan, S.," Modeling of multi stream LNG heat exchanger", A thesis for degree of M.Sc., Norwegian University of science and technology, 8-10, (2011).
  4. Fredheim AO, H.R," Possibilities of cost reductions in base-load". EUROGAS96. Proceedings from the European applied research conference on natural gas, 1, (1996).
  5. Jafari Nasr, M. R., Kalantari, A., "Choose surface &design of plate fin heat exchanger by RDA method", RIPI, 10, (2005).
  6. Jafari Nasr, M. , Zoghi, A. T., Khakdaman, H. R., "Performance evaluation of heat transfer enhancement in heat exchanger design", RIPI, 43, (2002).
  7. Kays, W. M., London, A. L., "Compact heat exchanger", McGraw Hill, (1984).
  8. Nunez, M., Polley, G. T., Reyes, E., Munoz,, "Surface selection and design of plate-fin heat exchangers", Applied thermal engineering, 19- 917- 931, (1999).
  9. Mohammadi, E., "Design and optimization of compact heat exchanger in LNG production unit" A Dissertation submitted to Chem. Eng. Dept. of Azad University, 87-89, (2013).
  10. Saffari, H., "Modeling and optimization of C3MR LNG plant efficiency by change ff mixed refrigerants’ components", LNG research laboratory of mechanical engineering, Iran university of Science and Technology, 2-4, (2011).
  11. Sanggyu, L., Ngyyen V. D., “Design and optimization of natural gas liquefaction and recovery process for offshore floating liquefied natural gas plant", School of chemical engineering, Yeungnam University, Gyeongsan, 712-749, South Korea, (2012).
  12. Walker, V., Wilkie, D.," The wider application of roughened surface as developed for advanced gas cooled reactors, Symp. on high pressure gas as a heat transport medium, IMechE, London, 26, (1967).
  13. Wang, L., Sunden, M., "Optimal design of plate heat exchangers with and without pressure drop specifications", Applied thermal engineering, 23-295-311, (2003).
  14. Wang, M., Zhang, J., "Optimal design and operation C3MR refrigeration system for natural gas liquefaction", Computer & Chem. Eng., 36, 48-95, (2012).