Simulation and analysis of impurities solidification in a LNG process

Natural gas consumption is projected to increase as an energy source in the next twenty years due to the multitude of possible applications. The natural gas is a mixture principally composed of methane, nitrogen and light hydrocarbons in which impurities are dispersed. The distance between the NG wells and the end-consumers is not always economically favorable because of geophysical and political limitations. For this reason, natural gas mixture is liquefied, occupying less volume and simplifying its transport for long distance. The LNG technology mainly consists of a flow phase change from a vapor state, as when extracted, in a liquid one. Therefore, natural gas mixture, after being purified from the mercury, water, carbon dioxide and sulfur components, is fed to the liquefaction plant in which very low temperatures are reached. In a LNG plant, as for instance C3MR process, a series of heat exchangers performs the chilling down to -164°C. Under these conditions, compounds as mercaptans, diols, long hydrocarbons and alcohols can solidify causing blocking, rupture of unit operations and consequently high repair costs. A solubility data collection for binary and multicomponent systems on solid-liquid, solid-vapor and solid-liquid-vapor equilibria has been accomplished for a long list of components that may be present in a natural gas mixture. Due to the lack of a sufficient number on solubility experimental values, thermodynamic models have been used to evaluate the equilibrium conditions in which a solid phase is involved. Once obtained a method to perform the SLE, SLVE and SVE, it has been of interest to couple the results with a process simulation. An analysis and a study on the natural gas impurities solidification in C3MR liquefaction process has been completed. The results show the possibility to predict the maximum amount of a natural gas impurity that can be fed at the liquefaction plant, by means of thermodynamics.

Il consumo di gas naturale come fonte di energia è destinato a crescere nei prossimi vent’anni grazie alla moltitudine dei suoi possibili utilizzi. Il gas naturale è una miscela composta principalmente da metano, azoto e idrocarburi leggeri, nella quale diverse impurità sono disperse. La distanza tra i pozzi di NG e gli utilizzatori finali non è sempre vantaggiosa in termini economici a causa di limitazioni geofisiche e politiche. Per questo motivo, il gas naturale viene liquefatto, riducendo così il suo volume e semplificando il trasporto per lunghe distanze. La tecnologia LNG consiste principalmente in un cambiamento di fase della corrente che passa dallo stato gassoso, cosi come è estratto, in uno liquido. Quindi, la miscela di gas naturale, dopo essere stata purificata da sostanze come mercurio, acqua, anidride carbonica e componenti solforati, è inviata a un processo di liquefazione nel quale temperature molto basse sono raggiunte. In un impianto LNG, come ad esempio il processo C3MR, una serie di scambiatori di calore porta a termine il raffreddamento fino a -164°C. In queste condizioni, componenti come mercaptani, dioli, idrocarburi pesanti e alcoli possono solidificare causando ostruzione, rottura delle unità operative e conseguenti alti costi di riparazione. Una raccolta di dati di solubilità per sistemi binari e multicomponente circa l’equilibrio solido-liquido, solido-vapore e solido-liquido-vapore è stata portata a termine per una lunga lista di componenti che possono essere presenti nella miscela di gas naturale. A causa della mancanza di un sufficiente numero di valori sperimentali di solubilità, sono stati utilizzati modelli termodinamici per stimare le condizioni di equilibrio nelle quali una fase solida è coinvolta. Una volta ottenuto un metodo per rappresentare SLE, SLVE e SVE, è stato interessante accoppiare i risultati con una simulazione di processo. Un’analisi e uno studio riguardo la solidificazione delle impurezze del gas naturale in un processo di liquefazione C3MR sono stati completati. I risultati mostrano la possibilità di predire la massima quantità di impurità del gas naturale che può essere fornita all’impianto di liquefazione, per mezzo della termodinamica.