Μελέτη και προσομοίωση της διεργασίας ανάκτησης υγρών προϊόντων φυσικού αερίουμε στόχο την ενεργειακή της βελτιστοποίηση - Γιαννακάρη, Ελένη (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, 2018)
Το φυσικό αέριο αποτελεί μια από τις πλέον βασικότερες πηγές ενέργειας με ολοένα και αυξανόμενη χρήση σε παγκόσμιο επίπεδο. Βασικό συστατικό του είναι το μεθάνιο, ενώ συνυπάρχουν σε αυτό σημαντικές ποσότητες «βαρύτερων» υδρογονανθράκων καθώς και διοξείδιο του άνθρακα, άζωτο, κ.ά. Τα υγρά προϊόντα φυσικού αερίου (Natural Gas Liquids, NGL) είναι υδρογονάνθρακες μεγαλύτερου μοριακού βάρους από το μεθάνιο, που διαχωρίζονται από το φυσικό αέριο με τη μορφή υγρών, ενώ το μεθάνιο που ανακτάται προωθείται προς πώληση. Υπάρχουν χρήσεις των NGL που καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών (πρώτες ύλες στις πετροχημικές εγκαταστάσεις, καύσιμα οχημάτων, καύσιμα για θέρμανση) που καθιστούν το διαχωρισμό τους οικονομικά απαραίτητο. Ο διαχωρισμός των συστατικών του φυσικού αερίου γίνεται σε συστήματα με αποστακτικές στήλες, όπου το φυσικό αέριο ψύχεται για να μεταβεί σε υγρή μορφή, και μέσω μιας αλληλουχίας διεργασιών φτάνει σε τέτοιες συνθήκες, ώστε να είναι δυνατή η απομάκρυνση του εκάστοτε συστατικού του. Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της διεργασίας ανάκτησης των NGL και η ενεργειακή της βελτιστοποίηση με έμφαση στο εξωτερικό ψυκτικό φορτίο που απαιτείται. Οι διεργασίες ανάκτησης συστατικών απαρτίζονται από αποστακτικές στήλες, στροβίλους, εξωτερικούς ψυκτικούς κύκλους, εναλλάκτες κ.ά., ενώ οι συνθήκες διαχωρισμού είναι κρυογενικές, καθώς απαιτούνται θερμοκρασίες χαμηλότερες από -85oC. Η αλληλεπίδραση των διαφορετικών μονάδων και οι ακραίες συνθήκες λειτουργίας καθιστούν αυτού του είδους τις διεργασίες ενεργειακά και οικονομικά «ακριβές», καθιστώντας απαραίτητο το βέλτιστο σχεδιασμό τους.Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η προσομοίωση και βελτιστοποίηση της διεργασίας ανάκτησης μεθανίου και NGL. Η προσομοίωση πραγματοποιείται με χρήση του λογισμικού UniSim Design® της εταιρείας Honeywell. Πραγματοποιείται διερεύνηση των συνθηκών που ικανοποιούν την απαίτηση ανάκτησης αερίου πώλησης με περιεκτικότητα σε μεθάνιο 96%, με όσο το δυνατόν χαμηλότερη ενεργειακή κατανάλωση. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στο σύστημα εξωτερικής ψύξης του εισερχόμενου αερίου, διότι σε αυτό το τμήμα της διεργασίας εντοπίζεται η μεγαλύτερη κατανάλωση ισχύος. Για το λόγο αυτό αρχικά διερευνάται ποιος συνδυασμός ψυκτικού κύκλου και εργαζόμενου μέσου συμβάλλει στην ελαχιστοποίηση του έργου που καταναλώνεται στον κύκλο ψύξης, εξετάζοντας ταυτόχρονα διάφορες συνθήκες λειτουργίας και μεθόδους προσέγγισης. Ο ψυκτικός κύκλος που επιλέγεται είναι ένας κύκλος με διβάθμια συμπίεση ατμών, με χρήση ψυκτικού μέσου που εξατμίζεται και συμπυκνώνεται εναλλάξ, και θάλαμο ανάμιξης, που λειτουργεί σαν εξατμιστήρας ή σαν συμπυκνωτής για το συνδυασμό των δύο βαθμίδων. Τα ψυκτικά μέσα που μελετώνται αποτελούν χαρακτηριστικά δείγματα από την κατηγορία που αντιπροσωπεύουν, δεδομένου ότι ανάλογα με τη σύνθεσή τους κατηγοριοποιούνται σε αντίστοιχες ομάδες. Τα εργαζόμενα μέσα εξετάζονται και αξιολογούνται για τις ίδιες αρχικές συνθήκες που αφορούν είτε τις πίεσεις λειτουργίας των συμπιεστών είτε τις ακραίες θερμοκρασίες του ψυκτικού κύκλου και για την ίδιατιμή ψυκτικού καθήκοντος του κύκλου. Τα μεγέθη που συγκρίνονται συμπεριλαμβάνουν τις τάσεις ατμών, τις πυκνότητες των μέσων, το συνολικό έργο των δύο συμπιεστών και κατ’ επέκταση το COP του κύκλου. Η σωστή αξιολόγηση των ψυκτικών μέσων προϋποθέτει τη σωστή περιγραφή της συμπεριφοράς τους. Πριν γίνει αξιολόγηση των μέσων, προηγείται αξιολόγηση δύο καταστατικών εξισώσεων συγκρίνοντας πειραματικές τιμές βασικών θερμοδυναμικών ιδιοτήτων με αυτές που υπολογίζονται από τις δύο καταστατικές, στο θερμοκρασιακό εύρος που έχει οριστεί. Η καταστατική εξίσωση με το μικρότερο μέσο σχετικό σφάλμα σε σχέση με τις πειραματικές τιμές είναι η Peng- Robinson, ενώ το προπάνιο αναδεικνύεται ως το καταλληλότερο εργαζόμενο μέσο στις συνθήκες που εξετάζονται. Στη συνέχεια, εφόσον έχει επιλεγεί ο βέλτιστος ενεργειακά ψυκτικός κύκλος, γίνεται η ενσωμάτωσή του στη διεργασία διαχωρισμού του μεθανίου και των NGL από το φυσικό αέριο. Κύριο ρόλο της διεργασίας κατέχει η στήλη απόσταξης και οι συνθήκες λειτουργίας της. Ξεκινώντας απο ένα αρχικό σενάριο για τις συνθήκες λειτουργίας της διεργασίας, ακολουθεί παραμετρική ανάλυση των βασικότερων μεταβλητών που επηρεάζουν την απαίτηση καθαρότητας του λαμβανόμενου μεθανίου, που συμπεριλαμβάνουν την πίεση λειτουργίας της στήλης, την ποσότητα ατμοποιημένου φυσικού αερίου προς τα ανώτερα ρεύματα της στήλης, τη θερμοκρασία εξόδου από τον ψυκτικό κύκλο και την ποσότητα του ρεύματος ανακυκλοφορίας. Αφού ληφθεί η ζητούμενη καθαρότητα του αερίου πώλησης, γίνεται αξιολόγηση των εναλλακτικών προσεγγίσεων και σχολιασμός των αποτελεσμάτων. Διαπιστώνεται πως η τιμή της πίεσης λειτουργίας της στήλης έχει τη μεγαλύτερη επίδραση στην τελική καθαρότητα του λαμβανόμενου μεθανίου, ενώ οι υπόλοιπες μεταβλητές επηρεάζουν κυρίως το ποσό της απαιτούμενης ισχύος της διεργασίας. Η συνολική ισχύς που απαιτείται για επίτευξη του στόχου ορίζεται ως το άθροισμα της ισχύος του επανασυμπιεστή και της ισχύος στον ψυκτικό κύκλο, το οποίο καθορίζει το ενεργειακό και οικονομικό κόστος της διεργασίας. Στο τελικό σενάριο που προκύπτει από την παραμετρική ανάλυση, το απαιτούμενο ψυκτικό φορτίο καθώς και η συνολική απαιτούμενη ισχύς αυξάνονται κατά ένα πολύ μικρό ποσό σε σχέση με το αρχικό σενάριο, στο οποίο δεν ικανοποιείται η απαίτηση καθαρότητας του μεθανίου, γεγονός που επιβεβαιώνει ότι οι μεταβολές που έγιναν ως προς τις αρχικές συνθήκες είναι ικανοποιητικές. Τέλος, προτείνεται η ανάλυση της διεργασίας με προσθήκη μιας επιπλέον απαίτησης ως προς την περιεκτικότητα του αιθανίου στο ρεύμα NGL, συνθήκη που εφαρμόζεται αρκετά συχνά στη βιομηχανία.