Problemi connessi alla purificazione di gas acidi mediante distillazione criogenica

This thesis deals with a cryogenic distillation process previously developed by Politecnico di Milano for the purification of natural gas from acidic gases, mainly CO2 and H2S. This fractionation method is not an easy prospect when focusing the attention on the removing of CO2 from natural gas, since the build-up of solid CO2 is likely to occur at low temperatures. To overcome this problem two columns, operated at different pressures, are used. Firstly, a thermodynamic characterization of the stream to be treated is carried out and the results of an external code able to describe the solid-liquid-vapor equilibrium and to predict the solubility concentration of carbon dioxide will be compared with experimental data and with the output given by the tool available in the commercial process simulator Aspen HYSYS®. Secondly, the optimum operating conditions will be identified, in terms of pressure and number of stages for the two columns. The proposed treatment will be applied to several gases with different compositions in order to have a more complete view of as many cases as possible. A parametric analysis will be conducted with the aim of determining the influence of different variables on the reflux ratio, which strongly affects the costs related to the refrigeration circuit to be used in the top condenser. In order to find a way of creating the liquid reflux returning to the column, several options will be examined. Lastly, this work faces another practical issue which may be encountered while operating the process: it concerns the separation of the bottom products, when hydrocarbons heavier than methane are present in the raw gas and are separated from the bottom of the high-pressure column, together with CO2. Ethane and carbon dioxide, for instance, form a minimum-boiling azeotrope which makes their separation difficult through simple distillation. Some options will be taken into account to solve this problem as well.

Questa tesi si propone di analizzare un processo precedentemente sviluppato dal Politecnico di Milano, relativo al trattamento di gas naturale acido mediante distillazione a bassa temperatura. Per lungo tempo l’applicazione della distillazione nel campo dei processi di addolcimento del gas ha ricevuto scarso interesse per via di alcune problematiche che essa comporta, prima fra tutte la possibile solidificazione dell’anidride carbonica nelle condizioni operative tipiche di un processo criogenico. Per ovviare a questo problema è stata presa in considerazione una soluzione impiantistica che prevede l’uso di due colonne che operano a pressione differente. Si rende, in primo luogo, necessaria un’analisi termodinamica finalizzata alla rappresentazione dell’equilibrio trifasico solido-liquido-vapore che si instaura nel sistema considerato e lo sviluppo di un modello che sia in grado di stimare la solubilità in miscela del composto acido da separare. Il modello verrà verificato su miscele di gas binarie CO2-idrocarburi leggeri e i risultati saranno confrontati con le previsioni del modello implementato nel software di simulazione Aspen Hysys® della AspenTech. Terminata la verifica del modello, verranno effettuate delle simulazioni per determinare le condizioni operative ottimali, in termini di pressioni di funzionamento e numero di stadi delle due colonne. Si proporranno, quindi, applicazioni del trattamento proposto ad esempi di gas naturale realmente esistente in natura. Un’analisi parametrica sarà, inoltre, condotta per determinare l’influenza di diversi parametri sul rapporto di riflusso, da cui dipendono i costi relativi al circuito di raffreddamento da utilizzare nel condensatore di testa. Si proporranno, quindi, diverse alternative in merito, per identificare quale sia la soluzione ottimale per garantire il riflusso in colonna. Sarà affrontato, infine, il problema della separazione della CO2 dagli idrocarburi leggeri eventualmente presenti nel gas alimentato, in particolare dall’etano, con cui forma un azeotropo di minimo.