Energy and Exergy Optimization of a mini-scale Nitrogen Dual Expander Process for Liquefaction of Natural Gas

Document Type : Original Article

Authors

1 Institute of Liquefied Natural Gas (I-LNG), School of Chemical Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran

2 Institute of Petroleum Engineering, School of Chemical Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran

20.1001.1.25885596.2019.4.1.3.6

Abstract

Nitrogen expansion processes are suitable for mini or small-scale liquefied natural gas plants, due to their simplicity and less equipment. However, they consume a high amount of energy and any attempt to reduce the energy consumption and improve the quality of energy (work potential of energy), leads to enhance the process efficiency and profitability. A mini-scale nitrogen dual expander natural gas liquefaction process is simulated and analyzed by Aspen HYSYS simulator. Then, in order to optimize energy performance of the process, some influencing variables are adjusted using the genetic algorithm approach provided by MATLAB software in two separate optimization cases with different objective functions. Specific energy consumption and total exergy destruction are considered as the objective functions of the optimization cases (namely energy and exergy cases), which represent quantity and quality of energy, respectively. The most important operating variables of the process, refrigerant molar flow, refrigerant temperatures and refrigerant pressures, are selected via a sensitivity analysis. The results indicate that in both of the optimization cases, the specific power consumption of the process is reduced 7.1%. However, the total exergy destruction for exergy case decreases 9.55% which is slightly a more desirable result than the energy case. Also, total exergy efficiency of the process in exergy case is 4.4% higher than the other case which reveals that considering the quality aspect of energy as the objective can improve the performance of the process more appropriately.

Keywords

Main Subjects

Article Title [فارسی]

بهینه‌سازی انرژی و اکسرژی یک فرآیند کوچک‌مقیاس مایع‌سازی گاز طبیعی از نوع چرخه انبساطی نیتروژن

Authors [فارسی]

  • علی پالیزدار 1
  • سعیده امیرافشار 1
  • طلیعه رمضانی 1
  • زهرا نرگسی 1
  • مژگان عباسی 2
  • علی وطنی 1

1 کارشناس ارشد تحقیق و توسعه (مهندس فرآیند)، انستیتو گاز طبیعی مایع (I-LNG)، دانشکده مهندسی شیمی، دانشکده فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران

2 دکترای مهندسی شیمی، انستیتو مهندسی نفت (IPE)، استادیار دانشکده مهندسی شیمی، دانشکده فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران

Abstract [فارسی]

فرآیندهای انبساطی نیتروژن، به‌دلیل سادگی و تجهیزات کم، برای واحدهای مایع­‌سازی گاز طبیعی در مقیاس کوچک و بسیار کوچک (مینی) مناسب هستند. با این حال، مصرف بالای انرژی در این فرآیندها، هر تلاشی در زمینه کاهش مصرف انرژی و نیز ارتقاء کیفیت انرژی (ظرفیت کاردهی انرژی) را برای افزایش راندمان و سودآوری فرآیند، مطلوب می‌­نماید. در این تحقیق، یک فرآیند مایع­‌سازی گاز طبیعی از نوع انبساطی نیتروژن با دو توربین با نرم‌­افزار اسپن هایسیس شبیه‌­سازی گردیده و مورد تحلیل قرار گرفت. سپس به منظور بهینه‌­سازی مصرف انرژی در فرآیند، برخی متغیرهای عملیاتی تأثیرگذار، با استفاده از الگوریتم ژنتیک و در محیط نرم‌­افزار متلب تنظیم گردیدند. مصرف ویژه انرژی و مجموع نرخ تخریب اکسرژی که به ترتیب گویای کمیت و کیفیت مصرف انرژی در فرآیند می‌­باشند، توابع هدف بهینه‌سازی هستند که در دو حالت جداگانه (حالت انرژی و حالت اکسرژی) بهینه می‌­شوند. دبی مولی مبرد، دماها و فشارهای پایین و بالای مبرد در چرخه، مهمترین پارامترهای عملیاتی تأثیرگذار می‌­باشند که با تحلیل حساسیت انتخاب شدند. نتایج نشان داد که در هر دو حالت بهینه‌­سازی، مصرف ویژه 1/7 درصد کاهش یافت. اما مجموع نرخ تخریب اکسرژی در حالت اکسرژی، تا 55/9 درصد کاهش پیدا کرد. همچنین راندمان اکسرژی کل فرآیند در حالت اکسرژی تا 4/4 درصد بیشتر از حالت انرژی است که این امر نشان­دهنده برتری انتخاب کیفیت مصرف انرژی به‌عنوان تابع هدف بهینه­‌سازی است.

Keywords [فارسی]

  • مایع‌سازی گاز طبیعی
  • انبساط نیتروژن
  • بهینه سازی
  • انرژی
  • تخریب اکسرژی
  • کارایی
[1] H-M Chang, A thermodynamic review of cryogenic refrigeration cycles for liquefaction of natural gas, Cryogenics 72 (2015) 127-147.
[2] F.M. Fahmy, H.I. Nabih, M. El-Nigeily, Enhancement of the efficiency of the Open Cycle Phillips Optimized Cascade LNG process, Energy Convers. Manage. 122 (2017) 59-70.
[3] Wang, R. Khalilpour, A. Abbas, Thermodynamic and economic optimization of LNG mixed refrigerant processes, Energy Convers. Manage. 88 (2014) 947-961.
[4] S. Khan, I.A.Karimi, M. Lee, Evolution and optimization of the dual mixed refrigerant process of natural gas liquefaction, Appl. Therm. Eng. 96 (2016) 320-329.
[5] A. Çengel, M.A. Boles, Thermodynamics: an engineering approach, eighth ed., McGraw Hill Book Co., New York, 2015.
[6] Venkatarathnam, Cryogenic mixed refrigerant processes, first ed., Springer, New York, 2008.
[7] Vatani, M. Mehrpooya, A. Palizdar, Advanced exergetic analysis of five natural gas liquefaction processes, Energy Convers. Manage. 78 (2014) 720-737.
[8] He, Y. Ju, A novel conceptual design of parallel nitrogen expansion liquefaction process for small-scale LNG (liquefied natural gas) plant in skid-mount packages, Energy 75 (2014) 349-359.
[9] Cipolato, M.C.A. Lirani, T.V. Costa, F.M. Fábrega, J.V.H. d’Angelo, Exergetic optimization of a refrigeration cycle for natural gas liquefaction, in: 11th International Symposium on Process Systems Engineering, 15-19 July 2012, Singapore, pp. 440-444.
[10] M.H. Shirazi, D. Mowla, Energy optimization for liquefaction process of natural gas in peak shaving plant, Energy 35 (2010) 2878-2885.
[11] S. Khan, S. Lee, M. Lee, Optimization of single mixed refrigerant natural gas liquefaction plant with nonlinear programming, Asia-Pac. J. Chem. Eng. 7 (2012) S62-S70.
[12] E. Wahl, S.W. Løvseth, M.J. Mølnvik, Optimization of a simple LNG process using sequential quadratic programming, Comput. Chem. Eng. 56 (2013) 27-36.
[13] He, Y. Ju, Design and optimization of a novel mixed refrigerant cycle integrated with NGL recovery process for small-scale LNG plant, Ind. Eng. Chem. Res. 53 (2014) 5545-5553.
[14] Moein, M. Sarmad, H. Ebrahimi, M. Zare, S. Pakseresht, S.Z. Vakili, APCI-LNG single mixed refrigerant process for natural gas liquefaction cycle: analysis and optimization, J. Nat. Gas Sci. Eng. 26 (2015) 470-479.
[15] Won, J. Kim, Bi-level optimizing operation of natural gas liquefaction process, Comput. Chem. Eng. 96 (2017) 87-102.
[16] Won, K.S. Lee, An energy-efficient operation system for a natural gas liquefaction
process: Development and application to a 100 ton-per-day plant, Comput. Chem. Eng. 97 (2017) 208-219.
[17] N. Pham, N.V.D. Long, S. Lee, M. Lee, Enhancement of single mixed refrigerant natural gas liquefaction process through process knowledge inspired optimization and modification, Appl. Therm. Eng. 110 (2017) 1230-1239.
[18] Alabdulkarem, A. Mortazavi, Y. Hwang, R. Radermacher, P. Rogers, Optimization of propane pre-cooled mixed refrigerant LNG plant, Appl. Therm. Eng. 31 (2011) 1091-1098.
[19] Hatcher, R. Khalilpour, A. Abbas, Optimisation of LNG mixed-refrigerant processes considering operation and design objectives, Comput. Chem. Eng. 41 (2012) 123-133.
[20] A. Perdana, J.A. Indriawan, Optimization of LNG plant operating conditions to Anticipate Leaner feed gas by steady state process simulation, in: 12th International Symposium on Process Systems Engineering and 25th European Symposium on Computer Aided Process Engineering, 31 May - 4 June 2015, Copenhagen, Denmark, pp. 2585-2590.
[21] Sanavandi, M. Ziabasharhagh, Design and comprehensive optimization of C3MR liquefaction natural gas cycle by considering operational constraints, J. Nat. Gas Sci. Eng. 29 (2016) 176-187.
[22] Ghorbani, M-H. Hamedi, R. Shirmohammadi, M. Hamedi, M. Mehrpooya, Exergoeconomic analysis and multi-objective Pareto optimization of the C3MR liquefaction process, Sustain. Energy. Technol. Assess. 17 (2016) 56-67.
[23] Sun, D.H. Ding, M. He, S.S. Sun, Simulation and optimisation of AP-X process in a large-scale LNG plant, J. Nat. Gas Sci. Eng. 32 (2016) 380-389.
[24] Ding, H. Sun, S. Sun, C. Chen, Analysis and optimization of a mixed fluid cascade (MFC) process, Cryogenics 83 (2017) 35-49.
[25] B. He, Y.A. Ju, A novel process for small-scale pipeline natural gas liquefaction, Appl. Energy 115 (2014) 17-24.
[26] Yuan, M. Cui, Y. Xie, C. Li, Design and analysis of a small-scale natural gas liquefaction process adopting single nitrogen expansion with carbon dioxide pre-cooling, Appl. Therm. Eng. 64 (2014) 139-146.
[27] S. Khan, S. Lee, M. Getu, M. Lee, Knowledge inspired investigation of selected parameters on energy consumption in nitrogen single and dual expander processes of natural gas liquefaction, J. Nat. Gas Sci. Eng. 23 (2015) 324-337.
[28] He, Y. Ju, Optimal synthesis of expansion liquefaction cycle for distributed-scale LNG (liquefied natural gas) plant, Energy 88 (2015) 268-280.