Termodynamisk analyse av kaskadeprosesser for flytendegjøring av naturgass

Abstract

LNG(liquified natural gas) er naturgass som er nedkjølt og flytendegjort. Denne prosessen er energikrevende ettersom flytendegjøringen skjer ved svært lave temperaturer. Valg av optimale prosessvariabler er derfor viktig for å oppnå høy energieffektivitet. Prosessene for produksjon av LNG kategoriseres vanligvis etter hvilken type kjølemedium som benyttes. Dette kan enten være rene eller blandede kjølemedium. For prosesser der kun rene kjølemedium benyttes sirkulerer hvert kjølemedium i en egen kjølekrets som kalles et vertikalt trinn. Disse er ordnet i en kaskade som medfører at naturgassen nedkjøles trinnvis ved fordampning av de ulike kjølemediene. I hvert vertikalt trinn kan kjølemediene fordampe ved flere ulike trykknivå. Hvert trykknivå kalles et horisontalt trinn. Inndeling av vertikale trinn i horisontale trinn kan gi en effektiv nedkjøling. Valg av kjølemedium i kjølekretsene er også viktig for å kunne nedkjøle naturgassen til ønsket temperatur på en energieffektiv måte.I denne oppgaven har bruk av ulike rene kjølemedium i en kaskadeprosess blitt studert. Dette er blitt gjort ved bruk av simuleringsprogrammet ASPEN HYSYS. Modellen av kaskadeprosessen er utarbeidet av Ph.D kandidat Bjørn Austbø. For enkelhets skyld ble det kun valgt et horisontalt trinn for hvert vertikalt trinn siden hovedformålet med oppgaven var å diskutere hvordan ulike kjølemedium påvirker de vertikale trinnene ut i fra termodynamikken. Innledningsvis presenteres grunnleggende termodynamisk teori som ligger til grunn for flytendegjøring av naturgass. Ulike LNG prosesser blir også gjennomgått med hovedvekt på kaskadeprosesser med rene kjølemedium.I oppgaven ble en rekke kjølemedier som kunne være aktuelle for nedkjøling av naturgass først vurdert ut i fra damptrykk kurver og fordampningsvarme. Ut i fra vurderingene så det ut til at tre vertikale trinn, med propan og metan i henholdsvis første og tredje vertikale trinn, var mest hensiktsmessig for nedkjøling av naturgass. I det mellomliggende trinnet var det aktuelt å bruke enten eten eller etan. De to kombinasjonene av kjølemedium, propan-eten-metan og propan-etan-metan, ble derfor studert videre ved bruk av Hysys modellen. Det ble antatt maks overheting og null underkjøling for alle kjølemediene. De to kombinasjonene av kjølemedium ble studert ved å variere fordampningstrykket i hvert trinn. Påvirkningen dette hadde på totalt kompressorarbeid for prosessen ble forklart ut i fra endringer i massestrøm, trykkforhold og inngangstemperatur på kompressor i de forskjellige trinnene. Endringene ble studert med tanke på å oppnå minst mulig kompressorarbeid for hele prosessen. Termodynamiske diagrammer ble brukt for å illustrere noen av disse endringene. Resultatene viste at lavt fordampningstrykk i første og andre vertikale trinn, kombinert med høyt fordampningstrykk i tredje vertikale trinn ga lavt kompressorarbeid for begge kombinasjonene av kjølemedium. Minst mulig kompressorarbeid ble oppnådd når eten ble brukt i det mellomliggende trinnet.