Nitrogen rejection : thermodynamics and process configurations

This Master Thesis aims at analyzing the thermodynamics and process configuration of cryogenic nitrogen rejection in the presence of carbon dioxide. The purpose of the evaluated processes is the production of sales gas, according to specifications regarding the Higher Heating Value and the Wobbe index. The main problem associated with this type of cryogenic processes is the possible formation of CO2 solid deposits, that can occur because of the low temperatures required. For this reason, the starting point of the investigation is the thermodynamics of the CH4-N2-CO2 ternary mixture, with a focus on CO2 solid phase through the analysis of the Solid-Liquid-Vapor equilibrium. This analysis is performed using both an appropriate routine developed in Fortran and the “CO2 Freeze Out” tool implemented in Aspen Hysys® simulation software. The obtained results are then compared to the available experimental data, to verify the reliability of the examined models. Once the thermodynamics is clearly stated, the spotlight shifts towards the structure of the cryogenic nitrogen rejection process. Simulations are performed building different schemes: a single column and a double-column scheme, both completed with the further addition of a preseparation column (two and three column schemes). Analyzing these configurations, varying the feed composition and the operating conditions, the feasibility range is identified for each scheme, in order to respect sales gas specifications. Finally, some energetic considerations are presented to overcome the biggest limit of the process that is its high energy intensive character, requiring heat transfer at cryogenic temperatures. To solve this problem, a methane heat pump is introduced to provide reboiler and condenser duties in the single column process scheme. On the other hand, for the double column and the triple column schemes, the thermal coupling of process streams is realized so that the autothermicity of the whole configuration is verified.

Questa tesi magistrale si propone di analizzare la termodinamica e le configurazioni d’impianto del processo di rimozione criogenica dell’azoto in presenza di anidride carbonica. L’obbiettivo dei processi considerati è la produzione di gas di rete, rispettando le specifiche riguardanti il potere calorifico superiore e l’indice di Wobbe. Il problema principale associato a questo tipo di processi criogenici è la possibile formazione di depositi di CO2 solida, che possono avvenire a causa delle base temperature richieste. Per questo motivo, il punto di partenza dell’indagine è l’analisi della termodinamica della miscela ternaria CH4-N2-CO2, con una particolare attenzione posta sulla fase solida, considerando l’equilibrio Solido-Liquido-Vapore. Questo studio si svolge mediante l’utilizzo di un’opportuna routine sviluppata in Fortran e dello strumento “CO2 Freeze Out” implementato nel software di simulazione Aspen Hysys®. I risultati ottenuti sono poi confrontati con i risultati sperimentali disponibili, per verificare l’affidabilità dei modelli esaminati. Una volta caratterizzata la termodinamica della miscela, l’attenzione si sposta verso la struttura del processo di rimozione criogenica dell’azoto. Sono condotte simulazioni per la costruzione di schemi differenti: a colonna singola, a colonna doppia e con l’ulteriore aggiunta di una colonna di preseparazione a entrambi gli schemi semplici. Tramite l’analisi di queste configurazioni, variando la composizione della corrente in ingresso e le condizioni operative, si identifica la regione di fattibilità per ogni schema, nel rispetto delle specifiche del gas di rete. Infine, vengono presentate alcune considerazioni energetiche per superare il limite più grande del processo che è l’alto consumo energetico e la richiesta di scambi termici a temperature criogeniche. Per superare questo problema, si introduce una pompa di calore a metano per fornire energia al ribollitore e al condensatore nello schema di processo della colonna singola. D’altro canto, per lo schema di processo della colonna doppia e della colonna tripla, si realizza l’accoppiamento termico delle correnti di processo in modo da rendere la configurazione quanto più possibile autotermica.