Методика моделирования процессов в многокомпонентных двухфазных системах СПГ

Об авторах:

Адхам Сафтли, аспирант, образовательный центр «Энергоэффективные инженерные системы», Национальный исследовательский университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия; adhamsaftly1994@gmail.com, https://orcid.org/0009-0009-4501-7010

Зайцев Андрей Викторович, кандидат технических наук, доцент, образовательный центр «Энергоэффективные инженерные системы», Национальный исследовательский университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия; zai_@inbox.ru, https://orcid.org/0000-0003-0677-6320

Аннотация:

Сжиженный природный газ (СПГ) является наиболее экономичным средством транспортировки природного газа на большие расстояния. В максимальных объемах СПГ транспортируется судами к назначенным местам разгрузки на терминалах хранения. Во время разгрузки и хранения СПГ определенная часть его переходит в газообразную фазу. Основными факторами, влияющими на процесс испарения, является передача теплоты от окружающего воздуха. Испарение части многокомпонентной жидкости, в свою очередь, приводит к изменению состава хранимого СПГ и в результате влияет на его термодинамические свойства и стоимостные показатели. Интенсификация процессов испарения может потенциально поставить под угрозу стабильность и безопасность процедуры хранения СПГ и других технологических процессов. При этом в зависимости от мольной концентрации отдельных компонентов основные термодинамические параметры СПГ могут существенно изменяться.
Одним из наиболее важных вопросов при анализе технологического процесса хранения СПГ как многокомпонентной жидкости является реализация удобной расчетной системы, основанной на известных соотношениях и методиках с выполнением термодинамических расчетов свойств смесей, определением фазового равновесия, учета теплового баланса системы с окружающей средой и др. Такой подход позволяет повысить способность прогнозирования изменения отдельных параметров, обеспечения термодинамической стабильности системы с учетом внешнего воздействия. Появляется возможность комплексного изучения сложных внутренних динамических процессов изменения температуры, давления, мольной доли пара, компонентного состава фаз в емкости, которое обычно проводится без учета внешних технологических процессов эксплуатации оборудования.
В статье приводятся результаты разработки и применения методики для процесса бездренажного хранения бинарной смеси, состоящей из чистого метана и сравнительно небольшого количества азота (до 10%). В результате продемонстрировано влияние азота на динамику изменения параметров двухфазной системы — отпарных газов и сжиженного продукта (метана).

Список литературы:

Брусиловский А. И. 2002. Фазовые превращения при разработке месторождений нефти и газа. М.: Грааль. 575 с.

Домашенко А. М., Агафонов И. М. 1984. Экспериментальное исследование тепломассообмена при бездренажном хранении криогенных продуктов до закритического давления // Химическое и нефтяное машиностроение. № 9. С. 27–29.

Федорова Е. Б. 2019. Комплексное научно-технологическое обоснование производства сжиженного природного газа: дис. ... д-ра техн. наук. М.: РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина. 360 с.

Adom E., Islam S. Z., Ji X. 2010. Modelling of boil-off gas in LNG tanks: A case study // International Journal of Engineering and Technology. Vol. 2. No. 4. Pp. 292–296.

Baker C. J. 2018. Phase equilibrium measurements and advanced modelling for optimising liquefied natural gas production: Doctoral thesis. The University of Western Australia. https://doi.org/10.26182/5bc411e7ccc0d

Hasan M. M. F., Zheng A. M., Karimi I. A. 2009. Minimizing boil-off losses in liquefied natural gas transportation // Industrial & Engineering Chemistry Research. Vol. 48. No. 21. Pp. 9571–9580. https://doi.org/10.1021/ie801975q

Khan M. S., Qyyum M. A., Ali W., Wazwaz A., Ansari K. B., Lee M. 2020. Energy saving through efficient bog prediction and impact of static boil-off-rate in full containment-type LNG storage tank // Energies. Vol. 13. No. 21. Article 5578. https://doi.org/10.3390/en13215578

Migliore C., Tubilleja C., Vesovic V. 2015. Weathering prediction model for stored liquefied natural gas (LNG) // Journal of Natural Gas Science and Engineering. Vol. 26. Pp. 570–580. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2015.06.056

Mokhatab S., Poe W. A. 2012. Handbook of Natural Gas Transmission and Processing. 2nd ed. Gulf Professional Publishing. 828 pp.

Mokhatab S., Mak J. Y., Valappil J. V., Wood D. 2013. Handbook of Liquefied Natural Gas. Gulf Professional Publishing. 624 pp.

Nasri Z., Binous H. 2009. Applications of the Peng-Robinson equation of state using MATLAB // Chemical Engineering Education. Vol. 43. No. 2. Pp. 115–124.

Peng D.-Y., Robinson D. B. 1976. A new two-constant equation of state // Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals. Vol. 15. No. 1. Pp. 59–64. https://doi.org/10.1021/i160057a011

Rahmania A., Purwanto W. W. 2020. Simulation of boil-off gas effect along LNG supply chain on quantity and quality of natural gas // AIP Conference Proceedings. Vol. 2223. No. 1. Article 040004. https://doi.org/10.1063/5.0000853

Rollover in LNG Storage Tanks. 2nd Edition: 2012–2015. Public Version // GIIGNL. https://giignl.org/document/rollover-in-lng-storage-tanks/

Wilson G. 1968. A modified Redlich-Kwong EOS, application to general physical data calculations // American Institute of Chemical Engineers 65th National Meeting. Article 15C.

Włodek T. 2015. Phase equilibria for liquefied natural gas (LNG) as a multicomponent mixture // AGH Drilling, Oil, Gas. Vol. 32. No. 3. Pp. 539–550.

Włodek T. 2016. Analysis of liquefied natural gas thermodynamic properties involving phase equilibria calculations // 16th International Multidisciplinary Scientific GeoConference (SGEM 2016). Vol. 3. Pp. 729–736.

Włodek T. 2019. Analysis of boil-off rate problem in Liquefied Natural Gas (LNG) receiving terminals // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. Vol. 214. Article 012105. https://doi.org/10.1088/1755-1315/214/1/012105

Wordu A. A., Peterside B. 2013. Estimation of boil-off-gas BOG from refrigerated vessels in liquefied natural gas plant // International Journal of Engineering and Technology. Vol. 3. No. 1. Pp. 44–49.

Zakaria M. S., Osman K., Yusof A. A., Hanafi M. H. M., Saadun M. N. A., Manaf M. Z. A. 2014. Parametric analysis on boil-off gas rate inside liquefied natural gas storage tank // Journal of Mechanical Engineering and Sciences. Vol. 6. Pp. 845–853. https://doi.org/10.15282/jmes.6.2014.10.0080