The lab-scale pilot plant of the dual pressure low-temperature distillation process : simulation and analysis of the preliminary experimental tests

This thesis work aims to analyse the lab-scale pilot plant related to the dual pressure low-temperature distillation process for the purification of acid gases, previously developed by Politecnico di Milano in collaboration with Tecnimont S.p.A. Maire Tecnimont Group. This system allows to perform the removal of carbon dioxide from methane by means of a distillation column divided into two separate sections, operated at different pressure levels. In particular, this work is organized into two parts: the first one concerns the dynamic simulation of the plant, whereas the second one regards the analysis of the lab-scale pilot plant and the experimental campaign. At first, the dynamic behaviour of the pilot plant has been studied through the process simulator Aspen HYSYS®, with the aim of defining a possible startup procedure. After having verified the stability of the pilot plant operation in steady state conditions, implementing volumes and a control logic as similar as possible to those used in reality, a new startup procedure has been developed, so that its duration allows to apply it to daily tests on the pilot plant, avoiding solid carbon dioxide formation. In the second part of this work, the real lab-scale pilot plant has been analysed. In particular, some preliminary studies, regarding the auxiliary cooling system and the methods of composition analysis and density estimation of the process mixture, have been performed. Furthermore, the activity has also involved the participation in the experimental campaign performed by SIET S.p.A. and Tecnimont S.p.A. with the aim of verifying the lab-scale pilot plant working conditions. The first tests session has involved the check of the hydraulic sealing and the thermal insulation of the system, feeding only methane. Then, the following tests have been intended to verify the correct operation of the low-pressure section, as it represents the most critical section of the entire plant because of the risk of carbon dioxide freezing.

Questa tesi si propone di analizzare l’impianto pilota riguardante il processo di distillazione a bassa temperatura di gas naturale da gas acidi, precedentemente sviluppato dal Politecnico di Milano in collaborazione con Tecnimont S.p.A. Maire Tecnimont Group. L’impianto oggetto di questo studio prevede l’utilizzo di una colonna di distillazione, suddivisa in due tronchi separati operanti a diversi livelli di pressione, per rimuovere anidride carbonica da metano. In particolare, questo lavoro di tesi si articola in due parti: una prima sezione di simulazione dinamica del processo ed una seconda riguardante l’analisi dell’impianto pilota vero e proprio e la campagna di prove sperimentali condotte su di esso. In un primo momento è stato studiato il comportamento dinamico dell’impianto pilota in questione tramite il simulatore di processo Aspen HYSYS®, allo scopo di definire una possibile procedura di messa in marcia. Dopo aver verificato la stabilità del funzionamento dell’impianto pilota in stazionario, implementando nel programma volumi e logiche di controllo il più simili possibili a quelli utilizzati nella realtà, è stata sviluppata una nuova procedura di avviamento, la cui durata ne permette l’applicazione alle prove giornaliere condotte sull’impianto pilota, evitando la formazione di ghiaccio secco. Nella seconda parte è stato analizzato l’impianto pilota vero e proprio, mediante studi preliminari riguardanti il sistema di raffreddamento ed i metodi di analisi della composizione e di stima della densità della miscela di processo. Si è, poi, contribuito all’analisi sperimentale dell’impianto, partecipando ai test condotti da SIET S.p.A. e Tecnimont S.p.A. La prima sessione di prove ha riguardato, in particolare, la verifica della tenuta dell’impianto, sia dal punto di vista termico che materiale, alimentando solo metano. I test successivi sono stati, invece, volti a sperimentare il corretto funzionamento del tronco operante a bassa pressione, poiché esso rappresenta la sezione più critica dell’intero impianto a causa del rischio di congelamento dell’anidride carbonica.