Simulazione dinamica : controllo e start up del processo di purificazione di gas naturale da gas acidi mediante distillazione criogenica

The aim of this thesis is to perform the analysis of the dynamic behaviour of a process developed by Politecnico di Milano, which concerns the acid gas removal from natural gas through low-temperature distillation. The application of the distillation technique in natural gas processing has been neglected for a long time, due to the problems that may be associated to this kind of treatment: first of all, the solidification of carbon dioxide at cryogenic conditions. In order to fix this problem, a plant solution has been taken into account: it involves the usage of two distillation columns, working at different pressures. As a consequence, the main purpose of the dynamic analysis is checking that dry ice (solid CO2) does not form in any of the plant operative steps. The analysis was performed with the help of the process simulation software Aspen HSYSY® Dynamics V8.0. Previous studies (Politecnico di Milano and Tecnimont, 2013) allowed to obtain the Piping and Instrumentation diagram (P&I) of the plant, the equipment sizing and the preliminary control configuration. Basing on this information, the plant flowsheet was developed and all the project parameter have been assigned as the input data of the simulator. Moreover, a series of changes were made in order to grant the stableness of the simulation, in terms of integrator and dynamic model. After that, the dynamic simulation was run starting from the steady-state simulation. Once the process variables reached stable behaviour, a stationary process was obtained. At this stage it was possible to simulate a series of disturbances and malfunction scenarios, in order to study the different control configurations and check their stableness and robustness. In the end a plant startup procedure was developed and simulated.

Questa tesi si propone di effettuare l’analisi del comportamento dinamico di un processo precedentemente sviluppato dal Politecnico di Milano, relativo al trattamento di gas naturale acido mediante distillazione a bassa temperatura. Per lungo tempo l’applicazione della distillazione nel campo dei processo di addolcimento del gas ha ricevuto scarso interesse per via di alcune problematiche che essa comporta, prima fra tutte la possibile solidificazione dell’anidride carbonica nelle condizioni operative tipiche di un processo criogenico. Per ovviare a questo problema è stata presa in considerazione una soluzione impiantistica che prevede l’uso di due colonne criogeniche operanti a pressioni differenti. Di conseguenza, scopo principale dell’analisi dinamica è quello di verificare l’assenza della formazione di ghiaccio secco (CO2 solida) in tutte le fasi di funzionamento dell’impianto. L’analisi è stata effettuata avvalendosi dell’ausilio del software di simulazione Aspen HYSYS® Dynamics V8.0. Studi precedenti (Politecnico di Milano e Tecnimont, 2013) hanno permesso di ottenere il Piping and Instrumentation diagram (P&I) dell’impianto, il dimensionamento delle apparecchiature e la logica preliminare di controllo. Basandosi su queste informazioni è stato sviluppato il flowsheet dell’impianto e sono stati forniti al simulatore tutti i parametri di progetto. Inoltre, sono state apportate una serie di modifiche al fine di garantire la stabilità dell’integratore e del modello dinamico utilizzato dal simulatore. Dopodichè, partendo dalla simulazione ottenuta in modalità steady state, è stata avviata la simulazione dinamica vera e propria. Dopo che i profili si sono stabilizzati, si è ottenuto un comportamento “a regime” del processo. A questo punto è stato possibile riprodurre una serie di disturbi esterni e di situazioni di malfunzionamento dell’impianto, al fine di studiare differenti logiche di controllo e verificarne la stabilità e la robustezza. Infine è stata pianificata e simulata una procedura per lo startup del processo.