Analysis of aMDEA and low-temperature processes and of liquefaction technologies for LNG production

Ever-growing energy demand has led to an increased interest in the exploitation of reservoirs previously considered undesireable because of high CO2 contamination. Existing technologies for natural gas purification, such as chemical absorption with alkanolamine solvents, may not be ideally suitable for treating highly contaminated natural gas. Both capital and operating costs significantly increase with the concentration of acid gases to be removed due to the required higher solvent circulation rate and, consequently, to the energy demand for solvent regeneration. Attention has been devoted over the last several decades to the study and development of low-temperature CO2 removal processes. With these new technologies, CO2 is extracted as a high-pressure liquid making it easier to be pumped underground, and thus, at the same time, reducing carbon emissions. In this study, natural gas purification technologies and liquefaction schemes are analyzed to produce LNG from a reference natural gas stream. Two CO2 removal technologies are considered to bring CO2 concentrations down to levels suitable for LNG production: the conventional chemical absorption technology with activated-MDEA as solvent and the recently patented dual pressure low-temperatures technology. Different commercial technologies are taken into account for the liquefaction of the purified natural gas: Propane-Mixed Refrigerant (C3MR), Mixed Fluid Cascade (MFC), and Single Mixed Refrigerant (SMR). A comparison is carried out among the resulting process schemes to understand if there is synergy between the dual pressure low-temperature process and natural gas liquefaction, exploiting the low-temperature level of the sweet gas stream. The results of simulations carried out in Aspen HYSYS® V10 are used to evaluate the energy and exergy analyses, respectively based on the net equivalent methane approach and on the concept of exergy efficiency.

Lo sfruttamento di riserve di gas naturale ad alto contenuto di CO2 è stato di recente preso in considerazione per far fronte alla crescente domanda di energia. Le tecnologie esistenti per la purificazione di gas naturale, come l'assorbimento chimico con solventi amminici, non sono adatte per lo sfruttamento di questo tipo di gas, a causa di un aumento significativo dei costi di investimento e dei costi operativi con la concentrazione di gas acido, dovuti alla maggiore velocità di circolazione del solvente e, di conseguenza, alla maggiore quantità di energia richiesta per la rigenerazione del solvente stesso. Negli ultimi decenni sono stati sviluppati e studiati processi di rimozione di CO2 a bassa temperatura che consentono uno sfruttamento più conveniente di gas molto acidi. Con queste nuove tecnologie, la CO2 è ottenuta ad alta pressione e in fase liquida, rendendo più facile l’iniezione nel sottosuolo e, quindi, riducendo le emissioni di carbonio. In questo lavoro di tesi vengono analizzate due tecnologie di purificazione del gas naturale per produrre gas naturale liquefatto (LNG) a partire da un gas di riferimento: una convenzionale, basata sull’ assorbimento con MDEA attivata come solvente e un processo recentemente brevettato basato sulla distillazione a bassa temperatura. Vengono, inoltre, considerati diversi processi commerciali per la liquefazione del gas naturale purificato: Propane-Mixed Refrigerant (C3MR), Mixed Fluid Cascade (MFC), and Single Mixed Refrigerant (SMR). I risultanti schemi di processo vengono confrontati per valutare se la sinergia tra il processo di purificazione a bassa temperatura e il processo di liquefazione, che sfrutta le basse temperature del gas purificato, risulta vantaggiosa. I risultati delle simulazioni condotte in Aspen HYSYS® V10 sono utilizzati per effettuare analisi energetiche ed exergetiche, che si basano, rispettivamente, sul metodo del metano equivalente e sul concetto di efficienza exergetica.