Mass transfer modelling of natural gas dehydration for the Gas-2-Pipe process

Abstract

Verden beveger seg mot økonomisk levedyktige investeringer. Et av hovedmålene med dagens teknologiske fremskritt er å skape et økonomisk gjennomførbart produkt og kutte ned menneskekraften ved å gjøre det beste ut av den nye tidsalderen teknologiske fremskritt som maskinlæring, kunstig intelligens. De konvensjonelle dehydreringsteknikker som absorpsjon dehydrering har restriksjoner på plass og vektmarginer og er kostnadsintensive ved modifisering. Med mål om å utnytte de store infrastrukturene som er tilgjengelige på norsk sokkel og for å redusere capex/opex intensive dekksmodifikasjoner, har Equinor ASA utviklet en ny ubemannet og subsea dehydreringsteknikk kalt Gas-2-Pipe-teknologi. Denne teknologien har ikke bare potensial til å redusere kostnadene, men gjør også satellittbehandling av gassen der de nødvendige verktøyene støttes fra ett eller flere vertsinstallasjoner steder enten tilgjengelig offshore eller onshore.

For å evaluere ytelsen til dette konseptet, utvikles en masseoverføringsmodell. For å analysere blanding av TEG og mettet vann i gassen langs røret. En statisk mikser brukes til å blande TEG væske og våtgass. Hysys bruker Peng Robinson (PR) termodynamisk modell brukes til å simulere de fysiske parametrene som kreves for å modellere systemet. En numerisk løsning basert på begrenset forskjell ordningen ble utviklet og tastet inn MATLAB program. Den utviklede begrensede forskjellen ordningen gir begrensede rutenett og beregningssjablonger som representerer mole brøkdel av mettet vann i gassen som y_. Innspillparametrene ble mottatt fra Equnior Research Centre i Trondheim. Base case simulering ble modellert sammen med 3 andre tilfeller av varierende trykk og temperaturnivåer. Resultatene ble senere sammenlignet med de eksperimentelle resultatene fra Equinors forskningssenter for å estimere Tilnærmingen til likevekt (ATE) for hvert enkelt tilfelle. Parametriske variasjoner ble også utført for å studere effekten av TEG renhet, TEG væskedråpediameter og TEG flowrate for base case simulering.

Det ble observert at tilfelle-1 av trykk 90 bar og temperatur 20 grad C og sak-2 av trykk 120 bar og 20 grader C oppnådd ATE over 100 %. Basiskassesimuleringen av trykk 90 bar og temperatur 30 grader C og case-3 av trykk 50 bar og temperatur 20 grader C oppnådde ATE under 100 %.

For tilfeller av ATE over 100 %, har systemet oppnådd et nivå av dehydrering som er større enn ett stadium av masseoverføringen i contactortårnet. For tilfeller av ATE under 100 %, er nivået av dehydrering oppnådd under det optimale nivået av vannfjerning som teoretisk kan oppnås.

Fra varierende TEG-strømningshastighet ble det observert at større TEG-strømningshastigheten, lengden tatt av systemet for å oppnå likevekt molefraction var raskere. Ved å variere TEG renhet ble det antydet at med bedre TEG renhet, mer mengde vann kunne trekkes ut fra den våte gassen. TEG flytende dråpediameter bør være liten nok til å overvinne masseoverføringsmotstanden og oppnå likevekt.

The world is moving towards economically viable investments. One of the main goals of today’s technological advancements is to create an economically feasible product and cut down the man power by making the best use of the new age technological advancements such as machine learning, artificial intelligence. The conventional dehydration techniques such as absorption dehydration have restrictions on space and weight margins and are cost intensive upon modification. With an aim to utilize the large infrastructures available in Norwegian Continental Shelf (NCS) and to reduce capex/opex intensive topside modifications, Equinor ASA has developed a new unmanned and subsea dehydration technique called as Gas-2-Pipe technology. This technology not only has the potential to the reduce cost, but also does satelite processing of the gas where the necessary utilities are supported from one or several host installations locations either available offshore or onshore.

To evaluate the performance of this concept, a mass transfer model is developed. To analyse the mixing of TEG and saturated water in the gas along the pipe. A static mixer is used to mix the TEG liquid and wet gas. Hysys using Peng Robinson (PR) thermodynamic model is used to simulate the physical parameters required to model the system. A numerical solution based on finite difference scheme was developed and keyed into MATLAB program. The developed finite difference scheme yields finite grids and computational stencils representing the mole fraction of saturated water in the gas as y. The input parameters were gotten from the Equnior Research Centre, Trondheim. Base case simulation was modelled along with 3 other cases of varying pressure and temperature levels. The results were subsequently compared with the experimental results from the Equinor Research Centre to estimate the Approach To Equilibrium (ATE) for each case. Parametric variations were also performed to study the effect of TEG purity, TEG liquid droplet diameter and TEG flowrate for the base case simulation.

It was observed that case-1 of pressure 90 bar and temperature 20 degree C and case-2 of pressure 120 bar and 20 degree C achieved ATE above 100 %. The base case simulation of pressure 90 bar and temperature 30 degree C and case-3 of pressure 50 bar and temperature 20 degree C achieved ATE below 100 %.

For the cases of ATE above 100 %, the system has achieved a level of dehydration that is greater than one stage of the mass transfer in contactor tower. For the cases of ATE below 100 %, the level of dehydration achieved is below the optimum level of water removal that can be theoretically achieved.

From varying the TEG flowrate, it was observed that larger the TEG flowrate, the length taken by the system to achieve equilibrium molefraction was faster. By varying the TEG purity it was inferred that with better TEG purity, more amount of water could be drawn out from the wet gas. TEG liquid droplet diameter should be small enough to overcome the mass transfer resistance and achieve equilibrium.