Esercizi di simulazione: separazione dei composti idrocarburici liquidi (NGL) dal gas naturale

INTRODUZIONE

Lo scopo di questa esercitazione è simulare il processo di separazione della parte condensabile del gas naturale. Le correnti che si otterranno avranno destinazioni differenti: processi di trasformazione, recupero per differenti tagli o uso energetico diretto (metano).

La separazione viene effettuata con un iniziale flash che ci permette di separare la parte più leggera dell’alimentazione; la parte liquida uscente dal flash viene riscaldata ed inviata successivamente, come fluido bifasico, ad una colonna chiamata stabilizzatrice che ha la funzione di separare in testa il cosiddetto LPG (Liquefied Petroleum Gas) chiamato così perché può essere liquefatto, questo può essere ulteriormente frazionato in etano, propano e butano a seconda della politica aziendale.

Dal fondo della stabilizzatrice esce l’ NGL (Natural Gas Liquids) cioè la parte liquida del gas naturale. La corrente di LPG subisce una compressione per il trasporto, così come la corrente liquida di NGL che viene raffreddata per evitare fenomeni indesiderati in pompa o evaporazione nelle condotte e poi pompata per essere trasportata. Il metodo termodinamico utilizzato è Redlich–Kwong-Soave (RK-SOAVE) che tiene conto della non idealità dei vapori/gas.
Nota: gli stadi della colonna sono numerati a partire dal condensatore.

IL SOTTOSCRITTO NON POSSIEDE ALCUN DIRITTO SUL TESTO DELL’ESERCIZIO.

ESERCIZIO

Il gas naturale, dopo addolcimento e disidratazione, può essere sottoposto ad un frazionamento volto a separare i composti idrocarburici a catena corta, appartenenti alla classe degli NGL (Natural Gas Liquids). La frazione più leggera degli NGL è comunemente detto LPG (Liquefied Petroleum Gas, in italiano GPL).

Lo schema del processo è il seguente:

Il gas naturale –fase mono o bifasica– subisce un flash per allontanare i componenti più leggeri (stadio opzionale, a seconda del processo di purificazione a monte). Successivamente il liquido è inviato ad una colonna, detta stabilizzatrice, in cui si separa il gas in testa (contenente i gas che costituiscono comunemente l’LPG e possono essere ulteriormente frazionati in etano, propano e butano) dal liquido in coda (ricco in NGL). Anche gli NGL subiscono una compressione, funzionale al loro trasporto, previo raffreddamento per evitare la loro evaporazione in conduttura.

Utilizzare il metodo termodinamico RK-SOAVE.

DATI

Tab. 1 Composizione alimentazione

Componente	Frazione molare (%)
C1	9.7
C2	11
C3	15
i-C4	9
n-C4	8.5
i-C5	5
n-C5	4.5
N-C6	4.8
H2O	4.4
Pseudo 1	6
Pseudo 2	6.5
Pseudo 3	6.1
Pseudo 4	5.6
Pseudo 5	3.9

[I valori per gli pseudo-componenti sono alti]

Tab. 2 Condizioni operative

Parametro	Valore	Unità di misura
Alimentazione: pressione	800	psia
Alimentazione: portata	1000	lbmol/h
Alimentazione: temperatura	150	°F
Separator: pressione	300	psia
Colonna:
Temperatura di alimentazione	250	°F
Stadio di alimentazione	4	On-stage
Stadi	10	-
Condensatore/Ribollitore Parziali	-	-
Fasi valide	Liquido-Vapore-Acqua
Distillato	300	lbmol/h
Rapporto di riflusso molare	8	-
Pressione del condensatore	290	psia
Perdite di carico della colonna	10	psi
Scambiatori: perdita di carico	-5	psi
Temperatura di uscita del raffreddatore	150	°F
Pompa: efficienza isoentropica	0.85
Pressione in uscita dalla pompa	1000	psia
Compressori: efficienza isoentropica	0.8	-
Pressione in uscita dal compressore	1000	psia
Efficienze meccaniche	0.9	-

Tab. 3 Definizione pseudo-componenti (metodo API-METH)

Componente	Specific gravity (-)	Peso Molecolare (kg/kmol)
Pseudo 1	0,736	98
Pseudo 2	0,773	125
Pseudo 3	0,803	159
Pseudo 4	0,843	202
Pseudo 5	0,873	258

RISULTATI ED ANALISI

È possibile notare come il primo flash opera da separatore trifase togliendo la maggior parte dell’acqua contenuta in alimentazione.

Si è preferito lavorare in colonna ad alta pressione per evitare i costi associati alla condensazione di fluidi molto volatili alle basse pressioni (Tminori al condensatore) e costi di compressione aggiuntivi.

Un recupero energetico di calorie è effettuato dalla corrente BOTTOM al fine di preriscaldare OILCOLD alla temperatura in ingresso alla stabilizzatrice; imponendo la temperatura in ingresso alla stabilizzatrice, il calore necessario al riscaldamento sarà sottratto da BOTTOM che subirà un iniziale raffreddamento prima di poter essere trasportato.

Siccome il simulatore di scambio termico HEATER non prevede un controllo sulla fattibilità dello scambio (cioè presenza della forza spingente) questo dovrà essere fatto in via preventiva. Il range del COLD-SIDE è tra 141 e 250°F, quello dell’HOT-SIDE è tra 406.6 e 267.5 °F: una forza spingente minima è più che garantita.

Ciò che si desidera è che in OFFGAS sia presente buona parte di C1 che per via dell’alta pressione sarà però presente anche nella corrente liquida in uscita; in uscita della stabilizzatrice invece si prevede:

-un alto recupero dei componenti più pesanti sul fondo (la quasi totalità degli pseudo-componenti);

-un elevatissimo recupero di metano, etano e propano in testa.

Gli altri componenti saranno ripartiti in base alla loro relativa volatilità ritrovandoci più butano piuttosto che pentano in testa, per esempio.

Si trova conferma nell’analisi dei risultati:

Per via della differente volatilità dei composti, è possibile notare come:

- gli pseudocomponenti finiscano completamente nel bottom della colonna in pratica;

-pentani ed esani sono anch’essi essenzialmente nel prodotto liquido e son presenti in modeste quantità in OFFGAS;

-i butani si ripartiscono tra testa e fondo della colonna con piccole perdite in OFFGAS;

-l’acqua grazie alla sua bassa solubilità negli HC e alle condizioni del flash di alta pressione e modesta temperatura esce essenzialmente nella corrente WATER; tale corrente che si presenta in Aspen come totalmente priva di HC(simulando “all’equilibrio”), in realtà è probabile che ne contenga tracce e quindi dovrà subire processi di purificazione (es. adsorbimento su carboni attivi).

Trascurando l’acqua, si noti come i recuperi in OFFGAS aumentino in modo monotono all’aumentare della volatilità dei composti, così come quelli in NGL-PROD al diminuire della volatilità (aumento di N.at._C). In GAS-PROD invece si ha un massimo recupero per il C₃: ciò è dovuto al precedente recupero dei C_2-1 in via maggiore rispetto al C₃ in OFFGAS. Dal propano in poi si ha il solito andamento decrescente  verso volatilità minori in GAS-PROD, visto che il propano sancisce il punto in cui il recupero dei componenti avviene in via sempre più prevalente in GAS-PROD rispetto a OFFGAS (il quale avrà bassa influenza, soprattutto per l’alta pressione).

Il profilo di temperatura sarà ovviamente crescente verso il basso; in effetti è al ribollitore che si fornisce calore e verso il basso si ha l’arricchimento nel liquido dei composti pesanti che hanno una temperatura di saturazione superiore: la colonna lavora proprio grazie a questo profilo di temperature e quindi equilibri che si susseguono nei vari stadi.

L’ultimo stadio è quello del ribollitore; a seconda di quanto si decide di rimandare in colonna (e conseguente composizione del bottom), in funzione del RR e della portata di distillato si avranno temperature diverse in colonna; il ribollitore è uno stadio con scambio termico. Tale effetto sarà però smorzato dalla quantità di quelle sostanze che comunque presentano una volatilità tanto bassa da ritrovarsi in fondo sempre e comunque anche per rapporti di riflusso dimezzati, ugualmente per quelle più volatili in testa. Si noti come l’alimentazione allo stadio 4 non generi grosse discontinuità nel profilo di temperatura: ciò significa che non è stato pesantemente alterato il profilo degli equilibri e quindi che la scelta dello stadio di alimentazione è ottimizzato.

Per quanto riguarda il profilo di portate:

È possibile notare la discontinuità nell'andamento tra 4-5 e 4-3 dovuta all’alimentazione che introduce materia alla colonna; si ricordi che l’alimentazione è stata riscaldata dalla condizione di liquido saturo e già per questo è bifasico(23%mol vapore); inoltre la temperatura dell’alimentazione alla colonna è 121°C circa che è leggermente superiore alla temperatura nello stadio; come risultato si ha un aumento paragonabile tra le portate molari di liquido e vapore (alimentazione on stage); salvo i valori alle apparecchiature a scambio termico della colonna, per la restante parte le portate molari si mantengono pressoché costanti (ipotesi McCabe-Thiele). Al condensatore parziale la portata di vapore crolla per la condensazione fino al valore della portata di vapore estratta mentre la portata di liquido è quella di vapore per 8 ( RR imposto); viceversa al ribollitore è quella di liquido a crollare fino alla portata di liquido sottratto ed il vapore è quello ribollito dal liquido (portata liquido OUT stadio 9=16.2 kmol/min, portata di liq. out reb. =3.97 kmol/min, la differenza è la portata di vapore).

Si riportano adesso i profili di concentrazione in colonna:

Si è preferito diagrammare i risultati su due grafici differenti per le pesanti differenze in termini di frazioni molari (alcune curve sarebbero risultate sovrapposte ed in pratica nulle).

È possibile notare come  i componenti più volatili presentino dei massimi verso il top, quelli più pesanti verso il fondo, quelli intermedi in posizione di mezzo nella colonna.

Si può notare che quei componenti che hanno recupero totale in colonna, rispetto a ciò che entra in questa, presentano un massimo al condensatore, con derivata seconda positiva nell’ultimo tratto, cioè le loro concentrazioni tendono ancora a salire; stessa cosa per gli pseudo-componenti al ribollitore; questi sono i componenti per cui cambiando le condizioni di RR non ci aspettiamo grosse differenze, idem per l’esano; iso e n-pentano presentano recupero del 100% in pratica rispetto al feed in colonna, ma la pendenza negli ultimi stadi tende a diminuire, determinate variazioni di RR potrebbero cambiare un po’ il recupero(ma non molto).

Ovviamente i profili sono più o meno accentuati a seconda delle quantità delle sostanze nel feed.

I profili sono spiegati dall’arricchimento dei composti più volatili nella fase vapore e dalla depauperazione di quelli più pesanti che andranno a finire nella fase liquida. È possibile notare che gli pseudocomponenti condensano completamente allo stadio 3 presentandosi in fase vapore dallo stadio 4(feed) in poi; in effetti questi hanno temperature di saturazione molto più alte di quelle allo stadio 3. Dai risultati di Aspen risulta:

Pseudocomponents	Normal boiling pt
	°C
PSEUDO1	92
PSEUDO2	145
PSEUDO3	199
PSEUDO4	259
PSEUDO5	322

[ATTENZIONE QUESTE SONO VALUTATE A 1 ATM MENTRE LA COLONNA LAVORA A 20 ATM CIRCA].

I componenti da C3-C4 presentano il max nel vapore all’interno della colonna, ciò significa che negli stadi di massimo il liquido discendente verso lo stadio in questione è ricco di tali componenti, essendo quelli più volatili presenti maggiormente nell’up-comer.

Prendiamo ad esempio il N-BUTANO:

È possibile notare che un massimo relativo è raggiunto nel liquido allo stadio precedente(7) del massimo nel vapore; i massimi eventualmente presenti a valori di stadio inferiori nel liquido non corrispondono a massimi nel vapore perché vi sono quantità maggiori di componenti molto volatili nell’ascendente rispetto ai casi successivi; allo stadio successivo (9) si può notare come il downcomer liquido abbia raggiunto il massimo nel componente subito più pesante del n-butano(iso-pentano); viceversa allo stadio precedente del massimo del liquido(6) è possibile notare il massimo nel vapore del composto subito più volatile(iso-but).

Si noti la presenza di maggiori discontinuità nel liquido ed, in particolare, una caduta della composizione allo stadio 4 nel liquido dovuta all’aggiunta degli pseudo-componenti (ed esano) dal feed che rimarranno essenzialmente nella fase liquida(per questo prima sono stati riportati due grafici distinti in precedenza). In effetti è possibile notare una quasi costanza nelle frazioni molari degli PC nel liquido laddove la portata di liquido rimane mediamente costante:

Si noti come il n-esano non subisce aumento di concentrazione tra 9-10; ovviamente ci si aspetta che il salto di concentrazione sia più pronunciato per i composti più alto bollenti, poiché di questi se ne conserverà di più nella fase liquida uscente. I valori raggiunti dipendono però anche da quanto è la quantità di tali componenti presenti nel feed. In effetti, nonostante i recuperi siano unitari, di pseudo1 ne abbiamo meno di pseudo2 e pseudo3 (invece da pseudo2 in poi sono decrescenti). La portata molare di esano in ingresso è invece inferiore a tutte quelle degli pseudo componenti tranne pseudo5.

Essendo in condizioni stazionarie, si deduce che la diminuzione della composizione è dovuta al suo parziale passaggio in fase vapore nel ribollitore in via maggiore di quanto si riduce la portata totale (in effetti nel vapore si ritrova al 9.2%mol all’ultimo stadio); essenzialmente gli pseudo-componenti passano di meno in fase vapore del n-esano, i butani invece in via maggiore; la riduzione di portata causata dai butani non riesce a compensare la vaporizzazione di esano, la sua frazione molare diminuisce di conseguenza.

Ora si valuterà l’effetto della variazione di rapporto di riflusso.

Innanzitutto bisogna dire che cambiando rapporto di riflusso il piatto di alimentazione potrebbe non essere più quello ottimale; non è richiesta una valutazione così precisa e quindi si procederà col cambiare solo il rapporto di riflusso. Per quanto riguarda OFFGAS non cambia assolutamente nulla in quanto questa corrente è a monte della variazione e il flash non risente di tale variazione non lavorando sulle correnti uscenti dalla colonna.

Aumentando il rapporto di riflusso ci si aspetta un aumento della forza spingente e quindi una separazione più intensa (interpretazione alla Mc-Cabe su sistema binario: allontanamento delle rette operative dalla curva di equilibrio). Per quanto detto in precedenza non ci si aspettano variazioni per esano, pseudo-componenti, metano ed etano mentre saranno piccolissime le variazioni per propano e pentani; piccole ma più significative saranno le variazioni per i butani.

Si riportano adesso i recuperi nelle correnti uscenti dalla colonna per RR pari a 4, 8(caso base) e 12, sempre rispetto all’alimentazione al processo:

Le variazioni sono piccole, ma è possibile notare come aumentino leggermente i recuperi nel prodotto liquido degli HC come o più “pesanti del n-butano” all’aumentare del rapporto di riflusso, mentre aumentano nel prodotto gassoso i recuperi degli HC come o più “leggeri dell’iso-butano”(salvo quelli che non cambiano).

Ciò che cambia pesantemente è invece il costo di tale operazione: lavorare con alti rapporti di riflusso significa lavorare con apparecchiature più grandi e avere spese energetiche maggiori nel condensatore e nel ribollitore come potenza termica da sottrarre e introdurre rispettivamente; ciò è dovuto alle portate maggiori che sono presenti all’interno della colonna e delle apparecchiature di scambio termico.

Analizziamo per prima la variazione dei profili di concentrazione in colonna che ci permetterà di spiegare anche altri profili.

Diagrammare tutti i profili di concentrazione insieme, nei tre casi di rapporto di riflusso, è il modo corretto per non capire nulla e generare confusione (almeno questo è sembrato dopo averlo fatto); per questo si analizzeranno solo alcune concentrazioni con andamento rappresentativo. 

Presentiamo adesso alcuni degli andamenti.

I butani subiscono le stesse variazioni così come i pentani, come anche il resto degli pseudo-componenti.

Essendo:

- i recuperi in pratica invariati e dunque le frazioni in uscita con il liquido pressoché uguali;

-il liquido in uscita in equilibrio con il vapore;

si deduce che le composizioni allo stadio dieci sono circa uguali nei diversi casi; stesso discorso vale ovviamente per le composizioni allo stadio 1.

Se riflusso di più cosa cambia?

I componenti più pesanti che prima non raggiungevano il top non lo raggiungono in alcun caso; agli estremi le frazioni sono uguali in pratica; quindi ciò che riflusso è in pratica uguale a ciò che riflussavo prima ma in quantità maggiori; quindi riflusso essenzialmente quantità maggiori di etano, propano, iso-butano, n-butano(10,40,30,15%mol rispettivamente nel liq. riflussato, come ordine di grandezza).

Quindi all’aumentare del RR in colonna si avranno picchi più alti per i componenti che arrivano in testa e sono riflussati (anche pentani); le curve per lo stesso componente si incrociano a volte, ciò dipende da come giocano relativamente i riflussi; questo può essere ampiamente giustificato da una separazione più repentina tra gli stadi. 

Considerando il downcomer per RR aumentato, si ha che:

-partendo dall’alto della colonna, nella zona precedente a ciascun picco la frazione di quei componenti più pesanti si abbassa, perché è l’aumento della portata del componente che raggiungerà per prima il picco a prevalere (più leggero);

-passato il picco più alto, ad un certo punto, sarà la frazione del componente subito più pesante a prevalere più repentinamente, grazie alla riduzione di quello più leggero verso il fondo. 

Se si abbassa il RR, nel primo tratto la frazione del leggero sarà minore, mentre nel secondo tratto può essere maggiore.

I componenti più pesanti non subiscono in pratica aumento di portata parziale in colonna perciò l’unico effetto significativo all’aumentare di RR è l’abbassamento della frazione in colonna nelle fasi, come è possibile vedere chiaramente considerando solo l’esano: 

Se si abbassano le frazioni nel liquido lo faranno anche quelle nel vapore(equilibrio).

Il profilo di temperatura è il seguente:

Essendo i recuperi invariati in pratica, i punti estremali coincidono; all’aumentare del rapporto di riflusso si ributtano in colonna quantità maggiori di componenti leggeri (per questo in generale si ottengono purezze superiori del distillato). La presenza di quantità maggiori di composti leggeri diminuisce le temperature di saturazione in colonna; ciò è facilmente intuibile da quanto è stato detto in precedenza.

Si passa adesso al profilo delle portate; essendo l’alimentazione ed il distillato a portate molari fissate, dal bilancio di massa un’unica portata molare di bottom è possibile;per lo steady state le portate molari di distillato (vapore stadio 1) e di prodotto di fondo (liquido stadio 10) devono essere uguali in tutti i casi. Ciò si riscontra nel seguente grafico:

Ovviamente maggiore è il rapporto di riflusso maggiori saranno le portate in gioco; i valori di liquido allo stadio 1 e vapore allo stadio 10 sono legati dal rapporto di riflusso alle portate in uscita grazie ai bilanci massici (no reazioneàmolari).

L’andamento rimane pressoché lo stesso nei tre casi; è possibile comunque notare una sottigliezza:

-nella sezione di testa o almeno fino allo stadio 3, ciò che succede è una mera traslazione(a meno dello stadio 1 per il vapore che deve rispettare quanto detto) perché essenzialmente il riflusso interessa tutti i componenti;

-nel fondo l’andamento reciproco di liquido e vapore varia un po’; ciò è possibile notarlo dall’incrocio delle curve; nella sezione di testa è in pratica sempre nella stessa posizione, nella sezione di fondo si sposta verso sinistra per RR crescenti.

Nella sezione di fondo si hanno quei composti che rimangono essenzialmente imperturbati dalla variazione di riflusso; si nota che dallo stadio sei in poi le portate convergono prima a riflussi maggiori.

Aumentando il RR aumenta la frazione leggera dei componenti nelle due fasi (soprattutto dopo lo stadio 3); l’aumento di RR porta ad un allontanamento dall’equilibrio delle correnti incrocianti allo stadio (salti di composizione più grandi): la portata del liquido diminuisce più rapidamente mentre quella del vapore aumenta, in via complementare, più rapidamente visto che la corrente di fondo è sempre uguale in pratica anche come composizione. Viceversa diminuendo il RR le correnti vapore e liquida incrocianti negli stadi della sezione di fondo sono sempre più simili a quelle di equilibrio come composizione, cioè la frazione leggera “passa con salti più piccoli alla fase vapore”.

Quanto è stato analizzato è utile dal punto di vista didattico ma se fatto in questo modo NON CAMBIA L’EFFICACIA DEL PROCESSO: AUMENTARE IL RR SEMBRA SOLO DIMINUIRE L’EFFICIENZA A CAUSA DEI MAGGIORI COSTI FISSI E VARIABILI.

Si passa adesso all’analisi dei costi energetici di compressione; questi non subiscono variazione significativa nei tre casi se le condizioni date rimangono costanti e quindi saranno valutati per il caso base.

In questo caso il costo energetico della pompa non è trascurabile in quanto tratta portate molto più grandi del compressore, anche se comunque risulta maggiore il costo di compressione di quello di pompaggio.

La potenza consumata dalla pompa è circa 71 kW mentre quella del compressore 134.4kW; sommando e rapportando ai 9.8 kg/s di NGL-FEED si ottiene un consumo di circa 20.76 kJ/kg alimentazione.

Per effettuare il calcolo sull’ LHV dell’alimentazione  è necessario simulare la reazione dell’alimentazione con aria teorica a dare i prodotti di combustione in un RSTOIC(reattore a conversione); in realtà non si brucia a tali pressioni ed il liquido risulterebbe bifasico, generalmente  bruciando aeriformi o liquidi si hanno rendimenti delle produzioni di energia elettrica diverse; il testo chiede comunque questo tipo di calcolo anche se sarebbe più corretto svilupparlo sull’OFFGAS ricco in metano che magari potrebbe essere destinato ad essere una risorsa energetica interna all’impianto.

È stata fatta una stima iniziale dell’aria teorica considerando gli pseudocomponenti come formati da successivi CH₂; simulando si è letta la portata di ossigeno in uscita, dovuta all’eccesso, e si è sottratto all’alimentazione l’equivalente in aria; di seguito è riportato il calcolo.

Imponendo stessa temperatura ad ingresso ed uscita, pressione costante e presenza di acqua vapore, la potenza termica sviluppata risulta essere 440,59 MW (LHV=44.54 MJ/kg ngl-feed). Se si utilizza un ciclo a rendimento in elettrico pari a 0,3, la potenza elettrica disponibile risulta 137.2 MW.

Facendo la somma delle energie richieste e dividendole per tale valore si ottiene:

Questo valore non è trascurabile perché va sommato a molte altre spese presenti in questo processo ma non evidenti ed ad altre spese negli altri trattamenti.