Analysis of liquefied natural gas production cycle for low-temperature natural gas purification processes

The recent increase of the natural gas demand in the world has required the development of natural gas reserves that were not considered economically viable in the past because of the high content of CO2. This makes the conventional CO2 removal technologies not energetically convenient and, thus, novel technologies have been proposed for this purpose. Some of these innovative technologies perform the purification by means of cryogenic distillation, producing a purified natural gas at low-temperature. In many cases, the natural gas must be liquefied after CO2 removal for LNG production, so to reduce its volume and to facilitate its transportation. However, nowadays, researches targeted to the optimization of liquefaction plants characterized by a natural gas inlet stream at low-temperature are not available in the literature. The aim of this thesis is to find a general method to optimize a natural gas liquefaction cycle that could work even if the inlet natural gas stream is at low temperature. The method used for the analysis consists in linking the plant simulation carried out in Aspen HYSYS® V9 with some optimization algorithms written in MATLAB®. The comparison among the results obtained with the different algorithms taken into account has allowed determining the most suitable one for the optimization of the LNG production process depending on the conditions of the inlet purified natural gas stream.

La recente crescita della domanda di gas naturale nel mondo ha determinato lo sviluppo di riserve di gas naturale che in passato non erano considerate economicamente convenienti a causa del contenuto troppo alto di CO2. Il contenuto troppo alto di CO2 fa sì che le tecnologie convenzionali di rimozione della CO2 non siano energeticamente vantaggiose, quindi, nuove tecnologie sono state proposte per questo scopo. Alcune di queste tecnologie innovative eseguono la purificazione del gas naturale mediante distillazione criogenica, producendo gas naturale purificato a bassa temperatura. In molti casi, il gas naturale deve essere liquefatto dopo la rimozione della CO2 per la produzione di LNG, così da ridurne il volume e facilitarne il trasporto. Tuttavia, oggi, non sono disponibili in letteratura ricerche mirate all’ottimizzazione di un impianto di liquefazione di gas naturale a bassa temperatura. Lo scopo di questa tesi è trovare un metodo generale per ottimizzare un ciclo di liquefazione di gas naturale che possa funzionare anche se il gas naturale in ingresso si trova a bassa temperatura. Il metodo usato per l’analisi consiste nel collegare la simulazione d’impianto eseguita in Aspen Hysys® V9 con alcuni algoritmi di ottimizzazione scritti in Matlab®. Il confronto dei risultati ottenuti con i differenti algoritmi considerati permette di determinare quale algoritmo è più indicato per l’ottimizzazione del processo di produzione di LNG a seconda delle condizioni del gas naturale purificato da liquefare.