Journal of Gas Technology

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

20.1001.1/jgt.2022.251683

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 از نظر 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 ۴۰ درصدی در فشار محاسبه‌شده برای برخی از برج‌ها نسبت به روش بهینه‌سازی با الگوریتم ژنتیک نشان می‌دهد. این خطا باعث افزایش ۳ درصدی هزینه‌های سالانه چیدمان می‌شود که به دلیل خاصیت تجمعی خطا می‌تواند تأثیر قابل‌توجهی بر طراحی نهایی واحد گذاشته و حتی رتبه‌بندی نهایی چیدمان‌ها را تغییر دهد.

Keywords [Persian]

  • تفکیک NGL
  • فشار عملیاتی
  • تقطیر چند جزئی
  • بهینه سازی فرآیند
  • قوانین ابتکاری
Cui, C., Liu, S., Sun, J., 2018. Optimal selection of operating pressure for distillation columns. Chemical Engineering Research and Design, vol. 137, p. 291-307. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2018.07.028
Halvorsen, I.J., Dejanović, I., Maråk, K.A., Olujić, Ž., Skogestad, S., 2016. Dividing-Wall Column for Fractionation of Natural Gas Liquids in Floating Liquefied Natural Gas Plants. Chemical Engineering and Technology, vol. 39, p. 2348–2354. https://doi.org/10.1002/ceat.201500698
Ivakpour, J., Kasiri, N., 2009. Synthesis of distillation column sequences for nonsharp separations. Industrial and Engineering Chemistry Research, vol. 48, p. 8635-8649. https://doi.org/10.1021/ie802013r
Khalili-Garakani, A., Ivakpour, J., Kasiri, N., 2016 a. A new search space reduction method based on exergy analysis for distillation columns synthesis. Energy, vol. 116, p. 795–811. https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.10.016
Khalili-Garakani, A., Ivakpour, J., Kasiri, N., 2016 b. Matrix based method for synthesis of main intensified and integrated distillation sequences. Korean Journal of Chemical Engineering, vol. 33, p. 1134-1152. https://doi.org/
Kiss, A., 2014. Distillation technology - still young and full of breakthrough opportunities. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, vol. 89, p. 479-498. https://doi.org/10.1007/s11814-015-0273-x
Li, X., Cui, C., Sun, J., 2018. Enhanced product quality in lubricant type vacuum distillation unit by implementing dividing wall column. Chemical Engineering and Processing - Process Intensification, vol. 123, p. 1–11.
Long, N.V.D., Lee, M.Y., 2013. Design and optimization of heat integrated dividing wall columns for improved debutaniz. Korean Journal of Chemical Engineering, vol. 30, p. 286–294. https://doi.org/10.1007/s11814-012-0149-2
Luyben, W. L., 2016. Distillation Column Pressure Selection. Separation and Purification Technology, vol. 168, p. 62–67.
Manley, D.B., 1998. Thermodynamically efficient distillation: NGL fractionation. Latin American Applied Research, vol. 28, p. 211–216.
Nezhadfard, M., Khalili-Garakani, A., Kasiri, N., 2018. Development of the Reaction/Distillation matrix to include more complicated Reaction/Distillation systems and performance evaluation using an ethylene hydration case study. Chemical Engineering Research and Design, vol. 139, p. 259–271. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2018.09.029
Seider, W.D., Lewin, D.R., Seader, J.D., Widagdo, S., Gani, R., Ng, K.M., 2017. Product and Process Design Principles: Synthesis, Analysis and Evaluation, (4th ed.), JohnWiley & Sons, New York.
Shahandeh, H., Jafari, M., Kasiri, N., Ivakpour, J., 2015. Economic optimization of heat pump-assisted distillation columns in methanol-water separation. Energy, vol. 80, p. 496-508. https://doi.org/10.1016/j.energy.2014.12.006
Tahouni, N., Smith, R., Panjeshahi, M.H., 2010. Comparison of stochastic methods with respect to performance and reliability of low-temperature gas separation processes. Canadian Journal of Chemical Engineering, vol. 88, p. 256–267. https://doi.org/10.1002/cjce.20265
Tamuzi, A., Kasiri, N., Khalili-garakani, A., 2020.  Design and optimization of distillation column sequencing for NGL fractionation processes, Journal of Natural Gas Science and Engineering. 76 (2020) 103180. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2020.103180. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2020.103180
Wang, J., Smith. R., 2005. Synthesis and Optimization of Low-Temperature Gas Separation Processes. Industrial & Engineering Chemistry Research, vol. 44, p. 2856-2870. https://doi.org/10.1021/ie0496131
Yoo, H., Binns, M., Jang, M.G., Cho, H., Kim, J.K., 2016. A design procedure for heat-integrated distillation column sequencing of natural gas liquid fractionation processes. Korean Journal of Chemical Engineering, vol. 33, p. 405–415. https://doi.org/10.1007/s11814-015-0139-2
Journal of Gas Technology
Volume 7, Issue 1 - Serial Number 8
September 2022
Pages 4-13