Simulering av separasjonsprosesser av vann og gasshydrat i et produksjonsanlegg

Sturla Wold
Februar 1997


SAMMENDRAG

Produksjonsprosessen av naturgasshydrat har mange usikkerhets-momenter. En stor uffordring er å tilfredsstille det enorme kjølebehovet som trengs. Et annet problem er å kunne ha en effektiv og pålitelig separasjons-prosess av hydratet og vannet som er berevæske. For å kunne få et inntrykk av hvordan de forskjellige enhetene vil oppføre seg, kan man bruke et data-basert simulerings-verktøy. Jeg har brukt et kommersielt data- program som heter ASPEN Plus, for a modellere separasjons-prosessen i et produksjons- anlegg. Det er gjort beregninger for hydrosykloner. Med en slik modell kan man teoretisk beregne forskjellige faktorer knyttet til separasjonen. Dette er typisk parametre som: Trykktap, separasjons-effektivitet, dimensjoner, og antall enheter. Det er gjort sensitivitets- analyser for å finne sammenhenhengene mellom flere av disse variablene. Jeg har også sett på teori i forbindelse med design av en simuleringsmodell, hvordan en prosess-simulering fungerer, og hvordan separatorer er bygget opp. Resultatene fra arbeidet viser at det er mulig a finne viktige parametre, og sammenhengen mellom dem, med et kommersielt simuleringsverktøy. Men resultatene viser også at det er en viss usikkerhet knyttet til disse simuleringene.


INTRODUKSJON

I framtiden kommer naturgass til å bli en stadig viktigere del av petroleums-industrien. Gass har med nye metoder blitt stadig lettere å utvinne, og mange gass-felt ventes å bli funnet og utbygd i de kommende årene. Naturgass er renere miljømessig enn olje, og ny teknologi vil gjøre den stadig mer aktuell og anvendbar, f.eks til bruk i gasskraftverk.

Utvinningen av gass vil etterhvert også skje i økende grad fra flere mindre felt enn det som er tilfelle i dag. For slike små felt er det ofte upraktisk, og alt for dyrt å bygge en rør-ledning til transport av gassen. Derfor bruker man i dag LNG-skip (Liquified Natural Gas) som transporterer gassen i flytende form, som alternativ til rørledning. LNG-prosessen er imidlertid også temmelig dyr. LNG krever dessuten veldig lave temperaturer (ca. -162 °C) for a dannes og for å kunne oppbevares i tanker. LNG vil dermed fordampe umiddelbart ved lekkasjer i tankene, og skaper en overhengende eksplosjonsfare . Dette gjør at LNG- transporten også kan være svært riskofylt, ved eventuelle ulykker.

Tidligere hadde man antatt at naturgass-hydrater (NGH), krevde veldig høye trykk for å holdes i denne tilstanden. I 1990-91 oppdaget imidlertid Gudmundsson, NTNU, at NGH kan være metastabilt ved atmosfærisk trykk med relativt høye temperaturer (rundt frysepunktet for vann), hvis systemet er tilnærmet adiabatisk. Dette innebærer en svært langsom dissosiering i tilfeller hvor hydratet isoleres godt, og energi-transporten (varmen) utenfra derfor er liten. Dette førte til at man så en mulig nytteverdi av NGH, som en metode for å kunne lagre og transportere naturgass. Siden da har det blitt satset mye på forskning på gasshydrater, med en industriell NGH-kjede som målet. Det har blitt gjort grundige studier av alt fra dannelse,dissosiering og stabilitet av NGH, til kostnader og effektivitet for et industrielt NGH-anlegg.

En av de viktige komponentene i et slikt anlegg, er separeringen av hydratet og vann/kondensat i produksjonen. Etter at hydratet er dannet i en reaktor, vil den være blandet med vann og kondensat i en slurry. Den må derfor separeres, og dette bør selvfølgelig gjøres så effektivt, billig og driftssikkert som mulig.

For å kunne finne ut mer om hvordan man skal bygge opp en slik produksjonsprosess kan man ta i bruk data-basert simulering av prosessen. Det er også mulig å simulere separasjons-delen. Selv om det selvfølgelig er mange usikkerhets-momenter i en slik teoretisk oppbygging, kan man få ut en del data og sammenhenger, som skisserer hvordan ting vil komme til å bli i realiteten.

Målet med hydrat-prosjektet er a gjøre alle deler i NGH-kjeden pålitelige nok til at en NGH- kjede kan bygges, og bli et bedre alternativ enn LNG. Å simulere forskjellige prosesser er en måte å bidra til dette målet på.


KONKLUSJONER

- Separerings-prosessen i et NGH-produksjons anlegg kan delvis simuleres i et kommersielt simuleringsverktøy som ASPEN Plus.

- Hydrosykloner kan brukes til å separere naturgasshydrat og vann.

- Separasjons-effektiviteten til en hydrosyklon, er veldig avhengig av de individuelle proporsjonene for syklonen.

-Trykktapet over hydrosyklonen vil bli dimensjonerende for separasjons-prosessen.


REFERANSER

[1] J.S. Gudmundsson, F. Hveding, Norges Tekniske Høyskole:
"Transport of Natural Gas as Frozen Hydrate"
Proceedings of the Fifth International Offshore and Polar Engineering Conference; Haag
Nederland, 11.-16. Juni 1995. s. 282-288.

[2] M.H. Yousif, IITRI/Westport Technology Center Intl.:
"The Kinetics of Hydrate Formation"
SPE Annual Thechnical Conference & Exhibition; New Orleans, USA 25.-28. Sept. 1994. s.169-173.

[3] M.A. Height, Texaco Inc.:
"State-of-the-Art Survey on Hydrate Formation"
SPE Annual Thechnical Conference & Exhibition; New Orleans, USA 25.-28. Sept.1994.
s.439-448.

[4] J.S. Gudmundsson, NTH; M. Parlaktuna, Middle East Technical U.; A.A. Khokar, NTH:
"Storage of Natural Gas as Frozen Hydrate"
SPE Annual Thechnical Conference & Exhibition, 4.-7. Okt.1994; Washington DC, USA.
s.699-707.

[5] J.S. Gudmundsson, M. Parlaktuna:
"Gas-in-lce, Concept Evaluation"
NTH - Trondheim, Jan. 1991 (108 sider).

[6] J.S Gudmundsson, F. Hveding, A.Børrehaug:
"Frozen Hydrate Compared to LNG"
NTH - Trondheim, Jan. 1995 (73 sider).

[7] Yuri F. Makagon
"Hydrates of Natural Gas"
PenWell Publishing Company,1981 (233 sider).

[8] Liv Fevang, Hilde Haaland
"Gasshydrater: problemer og utfordringer"
Stavanger: Studentene, 1994. Kandidatoppgave (34 sider)

[9] Nils Kjetil Hidle
"Dannelse og oppløsning av gasshydrater"
Stavanger,1991. Hovedoppgave (110 sider)

[10] Are Lund, David Lysne
"Hydrate formation and bahaviour in flowing fluids"
Trondheim: Sintef report (84 sider)

[11] John L. Cox
"Natural Gas Hydrates: Properties, occurrence and recovery"
Boston: Butterworth, 1983. (125 sider)

[12] Benjamin James Falabella
"A study of natural gas hydrate
University Microfilms International,1980. (105 sider)

[13] William L. Luyber
"Process Modelling, simulation and control for chemical engineers"
McGraw Hill,1990 (725 sider)

[14] AsgharHusain
"Chemical Process Simulation"
Wiley Eastern Ltd., 1986 (376 sider)

[15] A. Børrehaug, J.S Gudmundsson
"Gas Transportation in Hydrate Form"
Eurogas 96, 3.-5. Juni 1996, Trondheim, Norge

[16] John A. Ripmeester m. fl.
"Molecular Perspectives on Structure and Dynamics in Clathrate Hydrates"
International Conference on Natural Gas Hydrates (s.161-177)
The New York Academy of Science, 1994

[17] Luis A. Baez
"Computer Simulation of the Crystal Growth and Dissolution of Natural Gas Hydrates"
International Conference on Natural Gas Hydrates (s. 177-187)
The New York Academy of Science, 1994

[18] John S. Tse
"Dynamical Properties and Stability of Clathrate Hydrates"
International Conference on Natural Gas Hydrates (s. 187-205)
The New York Academy of Science, 1994

[19] Carl C. Gryte
"On the Control of Nucleation and Growth by Inhibition of Gas Hydrate Formation"
International Conference on Natural Gas Hydrates (s.323-329)
The New York Academy of Science, 1994

[20] Brukermanualer til simuleringsprogrammet Aspen Plus
Aspen Technology Inc. (1995)

[21] Lawrence B. Evans
Steady State Simulation: A state-of-the-art Review
Aspen Technology Inc.
Proceedings of PSE '94 (s. 953-967)

[22] Gudmundsson m.fl
"Gas-in-lce, Hydrate Formation"
Trondheim, sept.1994

[23] Curtis Whitson
"Petroleum Engineering Fluid Properties Data Book"
NTH, 1994; Compiled from the original charts by Standing/Katz

[24] Tomas Låhne
"Naturgasshydrater, simulering av produksjons- og regassifisseringsprosesser"
NTH, des.1995; Diplomoppgave

[25l Karsten Ofstad
"Hydrate formation and separation; Thin section studies"
NTNU, 1996; Diplomoppgave

[26] Børge Nerland
"Naturgasshydrater, separation and gas content"
NTH, 1995; Diplomoppgave

[27] Gunn Ashild Ulfsnes
"Separasjon av hydrater og vann/kondensat"
NTH, mars 1995; Prosjektoppgave

[28] Parlaktuna M., Gudmundsson J.
"Formation rate of methane and mixture hydrate"
International Conference on Natural Gas Hydrates 1996. (s. 439445)

[29] Sloan, E.D
"Clathrate hydrates of natural gases", med data-programmet "CSMHYD"
Marcel Dekker,1990. (641 sider)

[30] Rogers R. m.fl
"Hydrates for storage of natural gas"
Mississippi State Univ. USA
International Conference on Natural Gas Hydrates 1996. (s. 439445)

[31] Lorenz T. Biegler
"Chemical Process Simulation"
Carnegie-Mellon University, Pittsburgh (s. 50-61)

[32] Dag Kvamsdal, Kvaerner Process Systems a.s
Foredrags-notater.

[33] Web-siden til JohnsonScreen:
http://www.johnsonscreens.com/


Last modified: Thu Feb 27 15:10:22 NFT 1997