Design and Optimization of Natural Gas Dehydration Unit Using Triethylene Glycol (TEG)

Affandy, Sony Ardian (2020) Design and Optimization of Natural Gas Dehydration Unit Using Triethylene Glycol (TEG). Doctoral thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Text 02211360010004-Dissertation.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only Download (10MB) | Request a copy

Abstract

Natural gas is one of the main sources of energy in human life. With the depletion of oil reservoirs, natural gas as an alternative fossil fuel becomes increasingly important. However, a gas for commercial use is different from gas obtained from a underground reservoir. All acid gas compounds, H2S and CO2, must be removed. All the free liquids, both hydrocarbon and water, have to be removed. The presence of water vapor in natural gas could cause problems such as hydrate formation, freezing, corrosion and reduction of combustion efficiency.
There are several methods for gas dehydration, including absorption with solvent, adsorption, gas permeation with membrane and gas refrigeration. Among these methods, absorption has been used on an industrial scale for many years. Several papers in the literature have discussed design and investigation the performance of dehydration unit, however the natural gas dehydration unit using TEG is important to be studied in order to enhance its performance. The proper design of natural gas dehydration unit using TEG is important to aim desired product and economical processes.
The objectives of this study are to obtain the proper design, to determine the critical parameters and to study some technology such as packed bed column, Coldfinger system and re-routing flash gas as stripping gas on the natural gas dehydration unit using TEG. In this study, a domestic natural gas dehydration unit using TEG is used as base case configuration and its total annual cost (TAC) is calculated. Before running the simulation, the validity of the thermodynamic models are evaluated and checked by comparing to experimental data and plant data. Moreover, the simulation results of base case configuration are optimized by minimizing the TAC. The sensitivity analysis is done to investigate the critical parameters. Based on the optimized base case configuration and results of sensitivity analysis, the proposed configuration is designed. The proposed configurations are simulated and the TAC is calculated. Technical and economic evaluation is investigated to determine the best configuration of natural gas dehydration unit using TEG.
The results reveal that Predictive Soave-Redlich-Kwong (PSRK) is the appropriate thermodynamic model for the simulation due to its high accuracy compared to experimental and plant data. The optimum result from the base case configuration is obtained by TAC minimization with three design variables, the area of heat exchanger I (HE-1) equals 0.686 m2, the area of heat exchanger II (HE-2) equals 20.225 m2, and area of heat exchanger III (HE-3) equals 46.527 m2 and the operating variable, the pressure of flash drum I (FD-1) equals 6.18 barg. The TAC of optimized base case configuration is reduced from 319.028 x 103 $/year to 227.256 x 103 $/year (28.77% reduction).
In addition, the sensitivity analysis results reveal that VOC emission is extremely sensitive to an increase in TEG molar flow rate rate (± 11% change of VOC emission due to ± 9% change of TEG molar flow rate) while for the TEG purity has a huge effect on the H2O concentration in the dry gas stream stream (± 3% change of TEG purity affects ± 28-30% change of H2O concentration).
In conclusion, the proposed configuration give smaller TAC compared to the base case configuration. The TAC reduction is 29-41% compared to the base case configuration. The utilization of flash gas as stripping gas in regeneration package can enhance the TEG purity up to 92.3 % mole while the combination of Coldfinger system and flash gas as stripping gas in regeneration package can enhance the TEG purity up to 94.9 % mole. The replacing tray column with packed bed column can reduce the size of the contactor column and has significant effect to the TCC configuration (44.45% reduction compared to optimized base case configuration). According to the technical and economic evaluation of all proposed configurations, the packed bed column as contactor column and Coldfinger system in the regeneration package configuration achieve the smallest TAC equals 188.153 x 103 $/year (41.02% significant reduction compared to the base case configuration) and also has the highest TEG purity equals 96.1 % mole. This configuration can obtain 180 ppm H2O concentration in dry gas (the maximum requirement is 200 ppm). Therefore, the packed bed column as contactor column and Coldfinger system in the regeneration package configuration is determined as the proper design of natural gas dehydration unit using triethylene glycol (TEG).
========================================================================================================================
Gas alam merupakan salah satu sumber energi utama di dunia. Seiring dengan semakin menipisnya cadangan minyak bumi di dunia, maka gas alam menjadi alternatif bahan bakar fosil yang sangat penting. Namun demikian, terdapat perbedaan spesifikasi antara gas yang diperoleh dari sumur gas alam dengan gas yang dijual di pasar. Seluruh komponen gas asam, H2S dan CO2, harus dihilangkan, termasuk liquid bebas, baik air maupun hidrokarbon, harus dihilangkan juga karena dapat menyebabkan beberapa masalah seperti pembentukan hidrat, pembekuan di pipa, korosi dan penurunan efisiensi pembakaran.
Terdapat beberapa metode untuk proses dehidrasi gas alam yaitu absorpsi menggunakan solvent, adsorpsi, permeasi gas menggunakan membrane dan refrigerasi gas. Diantara beberapa metode yang telah disebutkan, absorpsi merupakan metode yang umum digunakan. Beberapa penelitian telah mempelajari tentang perancangan dan investigasi kinerja dari unit dehidrasi, namun demikian unit dehidrasi gas alam menggunakan TEG masih sangat penting untuk dipelajari dengan tujuan untuk semakin meningkatkan kinerjanya. Perancangan dehidrasi gas alam menggunakan TEG yang tepat sangat penting guna mendapatkan produk sesuai spesifikasi dengan proses yang ekonomis.
Tujuan penelitian ini,adalah untuk mendapatkan perancangan yang tepat, menentukan parameter-parameter kritis dan mempelajari beberapa teknologi seperti packed bed column, Coldfinger system dan pemanfaatan flash gas sebagai stripping gas di unit dehidrasi gas alam. Pada penelitian ini unit dehidrasi gas alam domestik menggunakan TEG digunakan sebagai konfigurasi base case dan dilakukan perhitungan total annual cost-nya (TAC). Sebelum simulasi, dilakukan validasi terhadap model termodinamika dengan membandingkan terhadap data eksperimen dan data lapangan. Selanjutnya, dilakukan optimasi terhadap hasil simulasi konfigurasi base case untuk meminimalkan TAC-nya. Dilakukan analisa sensitivitas untuk menginvestigasi parameter-parameter kritikal. Berdasarkan hasil optimasi konfigurasi base case dan hasil analisa sensitivitas, maka dilakukan perancangan konfigurasi yang diusulkan. Dilakukan simulasi terhadap konfigurasi yang diusulkan dan perhitungan TAC-nya. Dilakukan evaluasi teknis dan ekonomis untuk menentukan konfigurasi dehidrasi unit gas alam menggunakan TEG yang terbaik.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa Predictive Soave-Redlich-Kwong (PSRK) merupakan model termodinamika yang tepat untuk simulasi karena memiliki akurasi yang tinggi setelah dibandingkan dengan data eksperimen dan data lapangan. Konfigurasi base case dapat dioptimasi dengan 3 variabel desain dan 1 variabel operasi yaitu area of heat exchanger I (HE-1) sebesar 0,686 m2, area of heat exchanger II (HE-2) sebesar 20,225 m2 dan area of heat exchanger III (HE-3) sebesar 46,527 m2 sedangkan tekanan dari flash drum I (FD-1) sebesar 6,18 barg untuk meminimalkan TAC-nya menjadi 227,256 x 103 $/tahun dari sebelumnya 319,028 x 103 $/tahun (penurunan 28,77%).
Selain itu, hasil analisa sensitivitas menunjukkan bahwa emisi VOC sangat sensitive terhadap perubahan TEG molor flow rate (perubahan emisi VOC sebesar ± 11% dengan perubahan TEG molar flow rate sebesar ± 9%) sedangkan TEG purity sangat mempengaruhi konsentrasi H2O di dry gas (perubahan TEG purity sebesar ± 3% mengakibatkan perubahan konsentrasi H2O sebesar ± 28-30%).
Berdasarkan hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa konfigurasi yang diusulkan dapat memberikan TAC yang lebih kecil dibandingkan TAC konfigurasi base case dengan penurunan sebesar 29 – 41%. Pemanfaatan flash gas sebagai stripping gas dapat meningkatkan TEG purity menjadi 92,3% mol dan kombinasi penggunaan Coldfinger system dan pemanfaatan flash gas sebagai stripping gas dapat meningkatkan TEG purity menjadi 94,9% mol. Penggantian tray column dengan packed bed column memberikan dampak yang signifikan pada TCC konfigurasi yaitu sebesar 44,45%. Berdasarkan hasil evaluasi teknis dan ekonomi, konfigurasi packed bed column sebagai contactor column dan penggunaan Coldfinger system pada regeneration package memiliki TAC yang paling kecial yaitu 188,153 x 103 $/tahun (penurunan 41,02% dibandingkan konfigurasi base case) dan juga menghasilkan TEG purity tertinggi yaitu 96,1 % mol. Konfigurasi ini juga dapat menghasilkan dry gas dengan konsentasi H2O sebesar 180 ppm (spesifikasi maksimum sebesar 200 ppm). Oleh karena itu, konfigurasi packed bed column sebagai contactor column dan penggunaan Coldfinger system pada regeneration package ditetapkan sebagai konfigurasi yang tepat untuk unit dehidrasi gas alam menggunakan triethylene glycol (TEG).

Item Type:	Thesis (Doctoral)
Uncontrolled Keywords:	dehydration unit, triethylene glycol (TEG), design and optimization, total annual cost (TAC), technical and economic evaluation, unit dehidrasi, triethylene glycol (TEG), perancangan dan optimasi, total annual cost (TAC), evaluasi teknis dan ekonomi
Subjects:	T Technology > T Technology (General) > T57.62 Simulation T Technology > TP Chemical technology > TP159.S4 Separators (Machine) T Technology > TP Chemical technology > TP350 Natural gas--Drying.
Divisions:	Faculty of Industrial Technology > Chemical Engineering > 24001-(S3) PhD Thesis
Depositing User:	Sony Ardian Affandy
Date Deposited:	03 Sep 2020 05:37
Last Modified:	25 Dec 2023 13:18
URI:	http://repository.its.ac.id/id/eprint/81727

Actions (login required)

View Item