Selection of economically optimum operating conditions in complex distillation systems for NGL fractionation processes

Document Type : Original Article

Authors

1 Computer Aided Process Engineering (CAPE) Laboratory, School of Chemical, Petroleum and Gas Engineering, Iran University of Science and Technology, Narmak, Tehran, Iran

2 Chemistry and Process Engineering Department, Niroo Research Institute, Tehran, Iran

Abstract

Implementation of innovative distillation systems in multicomponent distillation design is a complex task because of multitude design variables. Operating pressure is one of the most prominent and effective variables in the distillation columns, which affects capital and operating costs directly. Many heuristic and optimization based methods are presented to find optimal operating conditions of distillation columns. Since the natural gas liquids, NGL, fractionation process is a costly and an energy demand intensive process, the design and operation of these units may affect many important petrochemicals supply chain and whole natural gas processing plant. Herein a comparison has been made between an easy to use heuristic design method and a stochastic based optimization method with genetic algorithm to design the simple and complex multicomponent distillation columns sequences for NGL fractionation processes. The results demonstrate the heuristic method is faster but in complex distillation systems, is inaccurate. In the studied case of the NGL fractionation process, the calculated column pressure by a heuristic method showed up to 40% different in comparisons against stochastic optimization results. This error leads to a 3% increase of the total annual costs in the heuristic method, which may have a significant impact on the final design and change the evaluation distillation scenarios because of cumulative error effects.

Keywords

Main Subjects

Article Title [Persian]

انتخاب شرایط عملیاتی بهینه اقتصادی در چیدمان‌های پیچیده برج‌های تقطیر برای فرآیند تفکیک مایعات گاز طبیعی

Authors [Persian]

  • امین تموزی 1
  • نوراله کثیری 1
  • امیرحسین خلیلی گرکانی 2

1 آزمایشگاه طراحی فرآیند به کمک کامپیوتر (CAPE)، دانشکده مهندسی شیمی نفت و گاز، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

2 گروه پژوهشی شیمی و فرآیند، پژوهشگاه نیرو، تهران، ایران

Abstract [Persian]

استفاده از طرح­های نوآورانه در طراحی فرآیندهای تقطیر چند جزئی به دلیل تعداد بالای متغیرهای طراحی کاری بسیار پیچیده است. فشار یکی از پارامترهای عملیاتی مهم در برج‌های تقطیر است و به‌طور مستقیم بر هزینه‌های عملیاتی و سرمایه‌ای تأثیر گزار است. تاکنون روش‌های بسیاری شامل روش‌های ابتکاری و بهینه‌سازی برای یافتن فشار عملیاتی بهینه برج‌های تقطیر ارائه‌شده است. ازآنجاکه فرآیند تفکیک مایعات گاز طبیعی (NGL) یک فرآیند پرهزینه و پرمصرف ازنظر انرژی محسوب می‌شود، طراحی و بهره‌برداری از این واحد فرآیندی تأثیر قابل‌توجهی در زنجیره تأمین محصولات پتروشیمی و کل مجموعه فرآوری گاز طبیعی می‌گذارد. در این مقاله مقایسه­ای بین روش طراحی ابتکاری برج‌های تقطیر و روش بهینه‌سازی تصادفی به کمک الگوریتم ژنتیک برای طراحی چیدمان‌های ساده و پیچیده برج‌های تقطیر در فرآیند تقطیر چند جزئی به‌منظور طراحی فرآیند تفکیک مایعات گاز طبیعی صورت گرفته است. نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که روش ابتکاری عملکرد سریع‌تری نسبت به روش بهینه‌سازی دارد اما در چیدمان‌های پیچیده برج‌های تقطیر با مقداری خطا همراه است. در مطالعه موردی صورت گرفته برای فرآیند تفکیک NGL نتایج حاصل از بهینه‌سازی توسط روش ابتکاری اختلاف 40 درصدی در فشار محاسبه‌شده برای برخی از برج‌ها نسبت به روش بهینه‌سازی با الگوریتم ژنتیک نشان می‌دهد. این خطا باعث افزایش 3 درصدی هزینه‌های سالانه چیدمان می‌شود که به دلیل خاصیت تجمعی خطا می‌تواند تأثیر قابل‌توجهی بر طراحی نهایی واحد گذاشته و حتی رتبه‌بندی نهایی چیدمان ها را تغییر دهد.

Keywords [Persian]

  • تفکیک NGL
  • فشار عملیاتی
  • تقطیر چند جزئی
  • بهینه سازی فرآیند
  • قوانین ابتکاری

Articles in Press, Accepted Manuscript
Available Online from 22 May 2022