Doğal gaz akımlarından turbogenleştirme yoluyla eşanlı enerji ve etan geri kazanımı süreçlerinin ekserji analizi ve optimizasyonu

Abstract

Dünyanın enerji ihtiyacının önemli bir kısmını karşılayan doğal gaz birçok hidrokarbonun karışımından oluşmaktadır. Ayrı ekonomik değerlere sahip olmaları ve sanayide kullanım alanı bulmaları, bu hidrokarbonların doğal gazdan geri kazanımları için çeşitli yöntemlerin geliştirilmesine neden olmuştur.Bu çalışmada turbogenleştirici etan geri kazanım süreci Aspen Plus süreç simülatörü ile modellenmektedir. Ekserji analizleri FORTRAN programlama dili ile yazılmış altyordamlar ile yapılmaktadır. Ayrıca, sürecin optimizasyonu için simülatör ve optimizasyon paketi arasındaki bağlantı C# programlama dili ile yazılan bir arayüz vasıtası ile yapılmaktadır.Çalışmada ilk olarak sürecin enerji analizi yapılmıştır. Buna göre sürecin enerji tüketiminin yüksek olduğu ancak ısı entegrasyonu ile bu tüketimde büyük oranda tasarruf sağlanabileceği ortaya çıkmıştır. Yapılan ekserji analizinin sonuçları ise sürecin ekserji performansının enerji tüketimi ile doğrudan ilişkisi olduğunu ve ısı entegrasyonu sonucunda ekserji yıkımında azalma kaydedileceğini işaret etmiştir.Çalışmanın ikinci kısmında, sürecin çalışma koşullarının ekserji yıkımına etkisi incelenmiş ve minimum yıkımı sağlayan değerleri elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, sürecin çalışma sıcaklığının ısı entegrasyonu ile zaten belirlendiği ancak uygun çalışma basıncı ile ekserji yıkımında azalma sağlanabileceği anlaşılmıştır.Çalışmada son olarak, doğal gaz bileşiminin sürecin ekserji performansına etkisi incelenmiştir. Buna göre, sürecin minimum ekserji yıkımını sağlayan çalışma koşullarının her bileşim için farklı olacağı ortaya çıkmıştır. Buna ek olarak, iki farklı doğal gaz bileşiminin bir turbogenleştirici sürecinin aynı tasarım parametreleri için kullanılabilir olmasının ekserji performansı hedefinden verilecek ödün ile mümkün olacağı anlaşılmıştır.

Natural gas which is fulfilling major part of world energy requirements consists of many hydrocarbon mixtures. Having their individual economical values and areas of purpose in industry have led to develop various techniques to recover those hydrocarbons from natural gas.In this study, a turboexpander ethane recovery process is modeled and simulated in Aspen Plus process simulator. Exergy analysis is made by the subroutines written in FORTRAN programming language. Additionally to optimize the process, the connection between simulator and optimization package is made via an interface written in C# programming language.In the study, firstly energy analysis of the process has been done. Accordingly, it has been revealed that although the energy consumption is high, it is possible to provide savings in this consumption by heat integration. Also, results of exergy analysis have indicated that exergetic performance of the process is directly related with energy consumption and exergy destruction will decrease in consequence of the integration.In the second part of the study, the effects of the process operating conditions on exergy destruction have been investigated. Operating conditions at minimum exergy destruction have been also calculated. According to the results, it has been realized that operating temperature of the process is already defined by heat integration; however choosing appropriate operating pressure may provide further reduction in exergy destruction.In the study finally, the effect of natural gas composition on exergetic performance of the process has been investigated. Accordingly, it has been revealed that for each natural gas composition, there exist different operating conditions which provide minimum exergy destruction. It has been also realized that with a compromise in exergetic performance target, it will be possible to use two natural gas compositions for same design parameters of turboexpander process.