Synthesis of N2-hydrocarbon refrigerant composition for maximum LNG production in PRICO processes

Abstract

Several technologies are being researched to address the challenges of cryogenic heat transfer in liquefied natural gas (LNG) production. Single mixed refrigerant (SMR) or dual mixed refrigerant (DMR) systems have advantages vs. pure refrigerant-based systems (e.g., cascade or inverted Brayton cycle with nitrogen) due to compact design suitable for small-scale units. However, the selection of mixed refrigerant composition is a challenge. Several methods have been published, typically using heuristic and computational techniques; with power consumption, efficiency, and/or exergy as the figure of merit. This paper presents an alternative approach for the determination of optimum refrigerant mixture composition based on nonlinear thermodynamic equations relating heat exchanger composite curves and mass flow of LNG produced. Three case studies demonstrate the effectiveness of the approach, indicating that single mixed refrigerant systems can be used for cost-effective LNG production while improving LNG production per unit of refrigerant flow rate by as much as 6.5 % vs. conventional approaches. The research is applicable to current needs of the gas extraction industry because it helps increase LNG production in small-scale cryogenic systems, thereby enabling economic gas recovery and reducing flaring during fracking operation, as is typical in e.g., the Bakken formation of North Dakota. RESUMEN Se están investigando varias tecnologías para abordar los desafíos de la transferencia de calor criogénico en la producción de gas natural licuado (GNL). Los sistemas de refrigerante mixto simple (SMR) o refrigerante mixto dual (DMR) tienen ventajas frente a los sistemas basados ​​en refrigerante puro (por ejemplo, cascada o ciclo Brayton invertido con nitrógeno) debido al diseño compacto adecuado para unidades de pequeña escala. Sin embargo, la selección de la composición de refrigerante mixto es un desafío. Se han publicado varios métodos, típicamente utilizando técnicas heurísticas y computacionales; con consumo de energía, eficiencia y/o exergía como figura de mérito. Este documento presenta un enfoque alternativo para la determinación de la composición óptima de la mezcla de refrigerante basada en ecuaciones termodinámicas no lineales que relacionan las curvas compuestas del intercambiador de calor y el flujo másico de GNL producido. Tres estudios de caso demuestran la eficacia del enfoque, lo que indica que los sistemas de refrigerante mixto único se pueden utilizar para la producción rentable de GNL y, al mismo tiempo, mejorar la producción de GNL por unidad de caudal de refrigerante hasta en un 6,5 % en comparación con los enfoques convencionales. La investigación es aplicable a las necesidades actuales de la industria de extracción de gas porque ayuda a aumentar la producción de GNL en sistemas criogénicos a pequeña escala, lo que permite la recuperación económica de gas y reduce la quema durante la operación de fracking, como es típico, por ejemplo, en la formación Bakken de Dakota del Norte.