Skid-Mounted SMR Packages for LNG Production: Configuration Selection and Sensitivity Analysis

Document Type : Original Article

Authors

1 Gas Research Division, Research Institute of Petroleum Industry (RIPI), Tehran, Iran

2 Gas Research Division, Research Institute of Petroleum Industry (RIPI), , Iran

3 Research & Technology Directorate of National Iranian Gas Company

20.1001.1.25885596.2021.7.2.1.3

Abstract

On review of skid-mounted LNG technology providers, single mixed refrigerant (SMR), ni-trogen expander and self-refrigerated processes have been used for LNG production in skid scale. However, SMR processes are more efficient and have lower rotating equipment. By RIPI comparative study on commercialized SMR processes and more than 100 patents in this topic, the SMR process with one phase separator (by 43% sharing in SMR processes), has been selected for skid LNG plant. Regarding to process complexity of multi-phase separators in SMR loop, these types of cycles were not selected. Otherwise SMR process without phase separator was not selected for skid LNG plant because of the freezing possibility of heavy hydrocarbon refrigerants in this configuration. 
Several single-phase separator SMR processes can be used based on arrangement of equipment in liquefaction and refrigeration sections. By extensive study and according to skid design limitations (e.g., the minimum number of fixed and rotating equipment, minimum process complexity and dimension and etc.), two process arrangements has been selected, simulated and optimized. Also, a sensitivity analysis on the feed pressure and temperature as well as the composition of MR and feed was done. Energy consumption of these two configurations was calculated and the complexity of them was compared. According to the results obtained in this study and considering lower total annualized cost of LNG unit and the necessity of pro-cess simplicity in the skid scales, the best case was recommended for LNG skid-mounted packages.

Keywords

Main Subjects

Article Title [فارسی]

تولید LNG به روش مبرد آمیخته تک‌مرحله‌ای در مقیاس قابل‌حمل: انتخاب پیکربندی و آنالیز حساسیت

Authors [فارسی]

  • لاله شیرازی 1
  • مهران سرمد 1
  • پیمان معین 1
  • رضا حیاتی 1
  • ساناز آناهید 2
  • مرضیه زارع 3

1 پژوهشکده گاز، پژوهشگاه صنعت نفت، تهران، ایران

2 پژوهشکده گاز، پژوهشگاه صنعت نفت، تهران، ایران

3 مدیریت پژوهش و فناوری شرکت ملی گاز ایران، تهران، ایران

Abstract [فارسی]

بررسی صاحبان فناوری مایع سازی گاز طبیعی در مقیاس قابل‌حمل، نشان می‌دهد که فرآیندهای مبرد آمیخته تک‌مرحله‌ای، سیکل انبساطی نیتروژن و فرآیندهای خود سرمایش، برای تولید گاز طبیعی مایع‌شده، استفاده‌شده است. در بین فرایندهای نامبرده شده، فرآیندهای مبرد آمیخته تک‌مرحله‌ای از بازده انرژی بالاتری برخوردار بوده و از تجهیزات دوار کمتری استفاده می‌کند. با توجه به مطالعات پژوهشگاه صنعت نفت در مورد فرآیندهای تجاری سیکل مبرد آمیخته تک‌مرحله‌ای و مطالعه بیش از ۱۰۰ اختراع در این رابطه، فرایند مبرد آمیخته تک‌مرحله‌ای با یک جداکننده فازی (با ۴۳٪ اشتراک در فرآیندهای مبرد آمیخته تک‌مرحله‌ای)، برای تولید گاز طبیعی مایع‌شده در مقیاس قابل‌حمل، انتخاب‌شده است. با توجه به پیچیدگی فرآیندهای مبرد آمیخته تک‌مرحله‌ای با چند جداکننده فازی، این نوع چرخه‌ها انتخاب‌نشده‌اند. از طرفی فرآیند مبرد آمیخته تک‌مرحله‌ای بدون جداکننده فازی به دلیل احتمال یخ‌زدگی هیدروکربن‌های سنگین موجود در مبرد، انتخاب‌نشده است.
چندین فرآیند مبرد آمیخته تک‌مرحله‌ای با یک جداکننده فازی بر اساس چیدمان تجهیزات در بخش‌های مایع سازی و سردسازی قابل‌استفاده است. بامطالعه گسترده و با توجه به محدودیت‌های طراحی در مقیاس قابل‌حمل (به‌عنوان‌مثال حداقل تعداد تجهیزات ثابت و دوار، حداقل پیچیدگی فرآیند و ابعاد و غیره)، دو آرایش فرآیندی در این مقاله انتخاب، شبیه‌سازی و بهینه‌سازی شده است. آنالیز حساسیت بر روی فشار و دمای خوراک و همچنین اجزاء مبرد آمیخته و ترکیب درصد خوراک انجام‌شده است. انرژی مصرفی این دو آرایش محاسبه‌شده و پیچیدگی آن‌ها با یکدیگر مقایسه شده است. با توجه به پایین بودن میزان تولید LNG و لزوم سادگی فرآیند در مقیاس قابل‌حمل و با توجه به نتایج اقتصادی بهترین گزینه توصیه‌شده است.

Keywords [فارسی]

  • LNG
  • مبرد آمیخته تک‌مرحله‌ای
  • بهینه‌سازی
  • آنالیز حساسیت و اقتصادی
  • طراحی قابل‌حمل
Abdelhamid, M.I., Ghallab, A.O., Ettouney, R.S., El-Rifai, M.A., 2017. Genetic Algorithm Optimization of a Small-Scale Natural Gas Liquefaction Process, International Journal of Chemical and Molecular Engineering, 11 (8), 574-578.
Alabdulkarem, A., Mortazavi, A., Hwang, Y., Radermacher, R., Rogers, P., 2011. Optimization of propane pre-cooled mixed refrigerant LNG plant, Applied Thermal Engineering, 31(6–7), 1091–1098.
Ali, W., Qyyum, M.A., Qadeer, K., Lee, M., 2018. Energy optimization for single mixed refrigerant natural gas liquefaction process using the metaheuristic vortex search algorithm, Applied Thermal Engineering, 129, 782-791.
The Brazed Aluminium Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturers’ Association (ALPEMA), Third Edition, 2010.
Aspelund, A., Gundersen, T., Myklebust, J., Nowak, M.P., Tomasgard, A., 2010. An optimization–simulation model for a simple LNG process, Comput Chem Eng, 34(10), 1606–1617.
Austbo, B., Lovseth, S.W., Gundersen, T., 2014. Annotated bibliography-Use of optimization in LNG process design and operation, Comput Chem Eng, 71, 391–414.
Barcly, M., Shukri, T., 2007. Enhanced Single Mixed Refrigerant Process For Stranded Gas Liquefaction, 15th International Conference & Exhibition on Liquefied Natural Gas (LNG 15). Barcelona, Spain, April 24-27.
Cammarata, G., Fichera, A., Guglielmino, D., 2001. Optimization of a liquefaction plant using genetic algorithms, Appl Energy, 68(1), 19–29.
Cao, W., Lu, X., Lin, W., Gu, A., 2006. Parameter comparison of two small-scale natural gas liquefaction processes in skid-mounted packages, Applied Thermal Engineering, 26(8), 898-904.
Chemical Engineering Plant Cost Index (CEPCI), Chem. Eng., 2017.
Couper JR, Penney WR, Fair JR, Walas SM. Costs of individual equipment. Chem Process Equip 2005:663–9.
Cranmore, R.G., Stanton, E., 2000. Natural gas In: Dawe RA. (Editor), Modern petroleum technology, Volume 1, Upstream. Chichester: Institute of Petroleum (IP), John Wiley and Sons Ltd, 337–380.
Ding, H., Sun, H., Sun, Sh., Chen, Ch., 2017. Analysis and optimisation of a mixed fluid cascade (MFC) process. Cryogenics, 83:35-49.
Dr.-Carl-von, 2018. LNG Technology, Optimised solutions for small to world scale plants.
Ghorbani B, Hamedi MH, Amidpour M, Shirmohammadi R., 2017. Implementing absorption refrigeration cycle in lieu of DMR and C3MR cycles in the integrated NGL, LNG and NRU unit. Int J Refrig, 77:20–38.
Gong, M.Q., Wu, J.F., Luo, E.C., Zhou, Y., Liang, J.T., Zhang, L., 2000. Optimum composition calculation for multicomponent cryogenic mixture used in J–T refrigerators. Adv Cryo Eng, 45, 283–290.
Hatcher, P., Khalilpour, R., Abbas, A., 2012. Optimization of LNG mixed-refrigerant processes considering operation and design objectives. Comput. Chem. Eng, 41, 123–133.
He, T., Ju, Y., 2014. Design and Optimization of a Novel Mixed Refrigerant Cycle Integrated with NGL Recovery Process for Small-Scale LNG Plant. Ind Eng Chem Res, 53 (13), 5545–5553.
He, T., Karimi, I.A., Ju, Y., 2018. Review on the design and optimization of natural gas liquefaction processes for onshore and offshore applications. Chemical Engineering Research and Design, 132, 89–114.
Heng, S., Wenhua, M., 2014. Two-section type single loop mixed refrigerant natural gas liquefaction process and device. CN102492505A.
Henry Coers, D.,  Wayne Sudduth, J., 1975. Refrigerant apparatus and process using multicomponent refrigerant. US3932154A.
Holland, J.H., 1975. Adaption in Natural and Artificial Systems. first edition. MIT Press, Boston, 1975.
Hwang, J.H., Ku, N.K., Roh, M.I., Lee, K.Y., 2013. Optimal design of liquefaction cycles of liquefied natural gas floating, production, storage, and offloading unit considering optimal synthesis. Ind Eng Chem Res, 52(15), 5341–5356.
Jacobsen, M.G., Skogestad, S., 2013. Active constraint regions for a natural gas liquefaction process. J Nat Gas Sci Eng, 10, 8–13.
Khan, M.S., Lee, M., 2013. Design optimization of single mixed refrigerant natural gas liquefaction process using the particle swarm paradigm with nonlinear constraints. Energy, 49, 146–155.
Khan, M.S., Lee, S., Rangaiah, G.P., Lee, M., 2013. Knowledge based decision making method for the selection of mixed refrigerant systems for energy efficient LNG processes. Appl Energy, 111, 1018–1031.
Kohler, T., Bruentrup, M., Key, R.D., Edvardsson, T., 2014. Choose the best refrigeration technology for small-scale LNG Production. Hydrocarbon Processing, 45-52.
Lee, G.C., Smith, R., Zhu, X.X., 2002. Optimal synthesis of mixed-refrigerant systems for low temperature process. Ind Eng Chem Res, 41(20), 5016-5028.
Li, Y., Wang, X., Ding, Y., 2012. An optimal design methodology for large-scale gas liquefaction. Appl Energy, 99, 484–490.
Mishra M, Das PK, Sarangi SK., 2004, Optimum design of crossflow plate-fin heat exchangers through genetic algorithm. International Journal of Heat Exchangers. 5, Iss 2, 379-401.
Moein, P., Sarmad, M., Khakpour, M., Delaram, H., 2016. Methane addition effect on a dual nitrogen expander refrigeration cycle for LNG production. J Natural Gas Sci and Eng, 33, 1-7.
Moein, P., Sarmad, M., Ebrahimi, H., Zare, M., Pakseresht, S., Zandieh Vakili, Sh., 2015. APCI-LNG single mixed refrigerant process for natural gas liquefaction cycle: Analysis and optimization. J Natural Gas Sci and Eng, 26, 470-479.
Mokarizadeh Haghighi Shirazi, M., Mowla, D., 2010. Energy optimization for liquefaction process of natural gas in peak shaving plant. Energy, 35, 2878–2885.
Ngoc Phama, T., Shariq Khan, M., Quang Minh, L., Amalia Husmil, Y., Bahadori, A., Lee, S., Lee, M., 2016. Optimization of modified single mixed refrigerant process of natural gas liquefaction using multivariate Coggin’s algorithm combined with process knowledge. J Natural Gas Sci and Eng, 33, 731-741.
Nguyen, T.V., Damgaard Rothuizen, E., Brian E, Bruun A.H., 2016. Techno-economic optimization of three gas liquefaction processes for small-scale applications Proceedings of Ecos- The 29th International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems. June 19-23, Portorož, Slovenia.
Peters MS, Timmerhaus KD, West RE., 2003, Plant design and economics for chemical engineers. vol. 4. McGraw-Hill New York.
Pfoser, S., Schauer, O., Cost, Y., 2018. Acceptance of LNG as an alternative fuel: Determinants and policy implications. Energy Policy, 120, 259–267.
Qyyum, M.A., Long, N.V.D., Minh, L.Q., Lee, M., 2018. Design optimization of single mixed refrigerant LNG process using a hybrid modified coordinate descent algorithm. Cryogenics, 89, 131-140.
Sanaye S, Shams Ghoreishi SM., 2019, Energy, exergy and economic analyses of two modified and optimized small-scale natural gas liquefaction (LNG) cycles using N2 and N2/CH4 refrigerants with CO2 precooling. Cryogenics (Guildf), 102:66–76.
Schmidt, H., 2009. Method for liquefaction of a stream rich in hydrocarbons. US20090205366A1.
Swenson, L.K., 1977. Single Mixed Refrigerant, Closed Loop Process for Liquefying Natural Gas. US Patent 4,033,735.
Taleshbahrami, H., Saffari, H., 2010. Optimization of the C3MR cycle with genetic algorithm. Transactions of the Canadian Society for Mechanical Engineering, 34 (3–4), 433-448.
Towler G. & Sinnott R., 2013, Chemical Engineering Design Principles, Practice and Economics of Plant and Process Design. 320-325 & 412.
Turton R, Bailie RC, Whiting WB, Shaeiwitz JA., 2008, Analysis, synthesis and design of chemical processes. Pearson Education.
Venkatarathnam, G., 2008. Cryogenic Mixed Refrigerant Processes. New York, Springer, 151.
Wahl, P.E., Løvseth, S.W., Mølnvik, M.J., 2013. Optimization of a simple LNG process using sequential quadratic programming. Computers & Chem Eng, 56, 27– 36.
Xu, X., Liu, J., Jiang, C., Cao, L., 2013. The correlation between mixed refrigerant composition and ambient conditions in the PRICO LNG process. Appl Energy, 102, 1127–1136.
Yin, Q.S., Li, H.Y., Fan, Q.H., Jia, L.X., 2008. Economic Analysis of Mixed-Refrigerant Cycle and Nitrogen Expander Cycle in Small Scale Natural Gas Liquefier. AIP Conference Proceedings 985, 1159-1165.