Process Design and Dynamic Simulation of Natural Gas Liquids (NGL) Recovery Process

Abstract

액상천연가스(NGL)은 일반적으로 에탄 혹은 그 이상의 탄화수소를 지칭하며, 통상적으로 에탄 및 프로판을 함유하는 가스를 의미한다. 천연가스로부터 에탄 이상의 성분을 회수하는 NGL 회수 공정은 가스 산업계에서 고가의 제품을 판매함으로써 천연 가스 처리의 경제성을 향상시킬 수 있다. NGL 회수 공정의 에너지 회수와 관련된 설계 복잡성을 조사하기 위해, 새로운 최적화 체계가 제안되었으며, 이를 통해 공정의 전체적인 상호 작용을 평가하고 최적 운전 조건을 결정하여 효율적인 에너지 소비 및 탄화수소 회수 성능을 도출할 수 있다. 최적 운전을 얻기 위해, 최적화 솔버(solver)와 결합된 공정모사기를 사용하여 NGL 회수 공정 모델링을 수행하였다. 솔버에 의해 생성된 최적 운전 조건의 후보가 공정모사기를 통해 평가되며, 이는 최적 운전 조건을 도출할 때까지 반복된다. 제시된 최적화 과정에서 공정 통합(process integration) 방법론이 적용되어 여러 NGL 회수 공정들에 대한 에너지 회수 가능성을 평가하였으며, 사례연구를 통해 공정의 에너지 회수 및 운전 성능을 체계적으로 고려하였다. 연구 결과는 제시된 공정 설계 및 최적화 방법론의 적용 가능성을 명확하게 보여준다. 또한 더 나은 에너지 효율성과 우수한 회수 성능으로 운전할 수 있는 새로운 NGL 회수 공정이 개발되었다. 새로운 공정은 주입되는 원료를 분할하고 증류탑에 유입함으로써 기존 터보팽창기 기반 공정으로부터 발전하였으며, 이러한 구조적 변화를 통해 기존 공정에 비해 더 많은 열에너지 회수가 가능하게 되었다. 개발된 공정의 성능을 평가하기 위해, 앞서 개발된 공정 최적화 방법론을 활용하여 여러 NGL 회수 공정들을 최적화하고 비교하였다. 최적화 결과, 새로 개발된 NGL 회수 공정이 대부분의 경우 최대 23% 더 좋은 에너지 효율을 가지지만 특정 조건에서는 기존 공정들의 효율이 더 우수한 것을 확인하였고, 운전 조건에 따라 기존 공정들 역시 경쟁력이 있음을 알 수 있다. 한편, NGL 회수 공정은 고압 및 저온 조건에서 운전되므로 공정의 안전성을 보장하고 강건한 공정 제어 체계를 구축하는 것이 매우 중요하다. 이를 위해 고려 가능한 12가지의 제어 구조를 제시한 후 비합리적인 구성을 제외하여 총 4가지의 최적 제어구조 후보를 선정하였다. 후보 제어구조들을 대상으로 외란에 대한 동적 모사를 통해 NGL 회수 공정의 동특성 및 공정 제어 구조의 견고함을 분석하였으며, 실제 공정의 운전 환경 등을 종합적으로 고려하여 가장 효과적인 공정 제어 구조를 결정하였다. 단위장치 설계 정보가 정상상태 모델링 및 장치 별 개별 설계를 통해 도출되었고, 이를 활용하여 공정의 동적 모델이 구성되었다. 여러가지 공정 구조에 대해 원료의 유량 또는 조성 변경과 같은 외란 조건을 가정하여 공정의 동적 응답 성능 및 안전성을 분석하였다. 또한 오작동 및 제어오류, 장치 고장 등 비상상황을 가정하여 안전성을 보장하고 운전 성능을 향상시키기 위한 가장 적합한 공정 제어 구조가 선택되었다. 공정제어 구조를 체계적으로 구성하여 불필요한 폐기물 발생을 줄이고 에너지 사용을 최소화하여 NGL 회수 공정의 지속 가능성을 향상시킬 수 있다.; Natural Gas Liquid (NGL) generally refers the stream containing ethane or heavier hydrocarbons, mostly ethane and propane. The recovery of C2+ components from the natural gas (NGL recovery process) can enhance cost-effectiveness in natural gas processing by selling highly valuable products in the gas industries. For investigating design complexities associated with a complex configuration and energy recoveries, a new optimization framework for the design of natural gas liquid (NGL) recovery processes is developed. Evaluating design interactions in a holistic manner and determining optimal operating conditions for the recovery process leads to efficient energy consumption and hydrocarbon recovery. To get the optimal solution, rigorous modeling of the NGL recovery process using a process simulator combined with an optimization solver is performed. Candidates for the optimal conditions of the decision variables are generated by the solver, and updated until an optimal solution is obtained, and the target function is evaluated by using a process simulator. Within the proposed optimization framework, a process integration methodology is applied to evaluate the potential of heat recovery about a number of NGL processes and to improve energy recovery. A case study has been presented to systematically consider the heat and power recovery through the design of process configuration, then the results clearly show the applicability of the process design and optimization method which is developed in this thesis. Also, the results show that CRR and RSV process are effective than GSP process when the feed gas is rich and high recovery specification is required. Also, a new NGL recovery process configuration is developed which can operate with better energy efficiency and product recovery. The new process configuration is an evolution of the conventional turboexpander-based process, with a feed stream split and transfer to the demethanizer column. More heat recovery is possible than the conventional process by those structural changes. A number of NGL recovery processes are optimized and compared to evaluate the new process configuration, with the developed optimization framework. The optimization result demonstrates that the new NGL recovery process is generally energy-efficient up to 23%, especially rich feed condition and small number of trays. On the other hand, ensuring process safety and implementing robust control schemes are important because the NGL recovery processes are operating at high pressure and sub-ambient temperature. Hence, dynamic characteristics for the NGL recovery process and the robustness of the process control schemes are observed to determine the most effective control scheme. Equipment sizing is done through steady-state modeling and equipment-specific design, then dynamic-state model of NGL recovery process is constructed. For each control schemes, dynamic response and safety issues are investigated with diverse disturbances like feed flowrate or composition changes. Also, emergency scenarios occurred by malfunction or control error is addressed and the most appropriate control scheme is selected for ensuring process safety and improving process operability. The systematic implementation of control structure with appropriate actions allows to enhance sustainability of NGL recovery processes by reducing unwanted waste generation and minimizing unnecessary energy usage.