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Evaluation and optimization of natural gas liquefaction process with exergy-based methods: a case study for C3MR
Primabudi, Eko
Propane pre-cooled mixed refrigerant process, known as C3MR, is the leading technology in the LNG market based on the capacity installed. In this study, exergy-based methods were implemented in order to obtain optimal operation conditions. The C3MR process is modeled with 4.5 MTPA production capacity using Aspen Plus process simulator, which is connected to the exergy and exergoeconomic analysis routines, programmed with Microsoft Excel VBA and Python. The exergy efficiency in the base case is 53.3%, whereas the total cost of product was obtained at 109.3 $/GJ. Furthermore, metaheuristic method such as genetic algorithm (GA) is a popular technique to solve an optimization problem without requiring gradient information of the objective function. It is shown that GA produced a better result when performed sequentially by carefully selecting the design variables according to the results of exergy and exergoeconomic analyses. In comparison with the conventional GA procedure, this approach produced a better performance in terms of exergy efficiency by 3%. Likewise, the sequential approach was applied to minimize the total cost of product, where it was obtained at 92.9 $/GJ, where the costs of investment account for 70% from the total costs of product. The optimization also revealed that minimizing the exergy destruction in the heat exchangers resulted in high costs of investment, such as in MHX, where the costs were twice as high as in the base case. Additionally, multi-objective optimization of C3MR was carried out with two objective functions: (a) maximizing the exergy efficiency and (b) minimizing the total cost of the product. The result shows that the range of Pareto feasible solutions is between 58% to 64% for exergy efficiency and between 93 to 120 $/GJ for the specific cost of product. When the exergetic efficiency is maximized at 64.4%, the total cost of product will increase from 93 $/GJ to 118.5 $/GJ. The thesis demonstrates the approach for performing optimizations in the LNG process with the aid of exergy-based methods and how the approach can be beneficial to produce an efficient optimization procedure.
C3MR ist die führende Technologie auf dem LNG-Markt, basierend auf der installierten Kapazität. In dieser Studie wurden Exergie-basierte Verfahren implementiert, um optimale Betriebsbedingungen zu erhalten. Der C3MR-Prozess wird mit Produktionskapazität von 4,5 Millionen Tonnen pro Jahr unter Verwendung des Aspen Plus Prozesssimulators modelliert, der an die Exergie- und Exergoökonomischen Analyseroutinen verknüpft ist. Nach dem Ergebnis beträgt der exergetische Wirkungsgrad im Basisfall auf 53,3 % während die Gesamtkosten des Produkts bei 109,3 $/GJ liegt. Darüber hinaus sind die Metaheuristik wie zum Beispiel der genetische Algorithmus (GA) eine beliebte Technik, um ein Optimierungsproblem zu lösen, ohne dass eine Gradienteninformation der Zielfunktion erforderlich ist. Es wird gezeigt, dass GA ein besseres Ergebnis liefert, wenn es sequentiell durchgeführt wurde, indem die Optimierungsvariablen entsprechend den Ergebnissen von Exergie-basierte Methoden sorgfältig ausgewählt wurden. Im Vergleich zum konventionellen GA-Verfahren erzielte dieser Ansatz eine um 3 % bessere Leistung hinsichtlich des exergetischen Wirkungsgrads. Wird der sequentielle Ansatz angewandt, erzielt die Optimierung der Gesamtkosten bei 92,9 $/GJ, in denen 70 % davon die Investitionskosten entsteht. Außerdem wurde die Multikriterielle Optimierung mit zwei Zielfunktionen durchgeführt: (a) Maximierung des exergetischen Wirkungsgrads und (b) Minimierung der Gesamtkosten des Produkts. Das Ergebnis zeigt, dass der Bereich der durch Pareto-realisierbaren Lösungen für den exergetischen Wirkungsgrad zwischen 58 % und 64 % und für die spezifischen Produktkosten zwischen 93 und 120 $/GJ beträgt. Wenn der exergetische Wirkungsgrad bei 64,4 % maximiert ist, wird die Gesamtkosten des Produkts von 93 $/GJ im Basisfall auf 118,5 $/GJ gestiegen sind. Die Dissertation führt den Ansatz zur Auswertung und Optimierung des LNG-Prozesses mithilfe Exergie-basierter Methoden vor und wie der Ansatz für ein effizientes Optimierungsverfahren vorteilhaft sein kann.
