Aspen Hysys è un software che consente di effettuare simulazioni di un gran numero di operazioni e processi industriali di interesse ingegneristico. Esso è largamente utilizzato per simulare processi riguardanti l’oil & gas, raffinerie e svariati processi riguardanti l’ingegneria chimica. In più, grazie all’interfaccia semplice con strumenti quali compressori, turbine, scambiatori di calore e una vasta banca dati si possono facilmente riprodurre schemi di impianto termodinamici, più inerenti all’ambito dell’ingegneria energetica. In questa fase è stato simulato il comportamento, in condizioni stazionarie di un ciclo a doppia espansione di azoto per la liquefazione di gas naturale.
Sono state create le Component List che contengono i vari componenti chimici puri o sotto forma di miscela presenti nei fluidi operativi a cui vanno associati i Property Package che contengono le relazioni per determinare gli stati termodinamici dei componenti in gioco:
Component list Componenti Property Package
1 Metano Azoto Etano Anidride Carbonica RefProp 2 Acqua UNIFAC
86 Si può dunque procedere con la realizzazione dello schema dell’impianto dando dei valori di tentativo (che poi saranno ottimizzati) alle portate di azoto e alle diverse pressioni e temperature di gas naturale, azoto, acqua e aria in entrata e in uscita dai singoli componenti e ai rapporti di compressione.
Definiti i componenti e il modello si passa nella sezione Simulation, dove viene riprodotto il processo fisico studiato. Tramite la funzione Models and Streams si possono scegliere i flussi materiali, energetici e le apparecchiature necessarie all’impianto. In particolare, sono stati scelti i seguenti elementi:
• Compressor
Figura 36 Elemento Aspen HYSYS-Compressor
Con questo componente sono stati simulati i compressori a vite che compongono i treni di compressione dell’azoto e del metano e anche il compressore che ricomprime il metano in fase gassosa in uscita dal separatore prima di essere rimandato al proprio treno di compressione. L’adiabatic efficiency è stata confermata del 75% di default. Sono stati assegnati inoltre la temperatura di ingresso i rapporti di compressione che sono stati inseriti nelle variabili da ottimizzare durante le ottimizzazioni termodinamiche e economiche.
87 • Heat Exchanger e Air Cooler
Figura 37Elemento Aspen HYSYS-Shell and tube
Figura 38Elemento Aspen HYSYS-Air Cooler
Con questi componenti sono stati simulati gli scambiatori di calore shell and tube e gli aircooler responsabili dell’inter-refrigerazione. A questi componenti sono state assegnate le perdite di carico pari a 10 kPa, la temperatura dell’azoto o del metano in uscita e la temperatura di ingresso e di uscita dell’acqua.
• Tee e set
Figura 39 Elemento Aspen HYSYS-Tee and set
Il tee simula lo split delle portate di azoto prima che entrino nello scambiatore multiflusso. In che rapporto splittare le portate è invece stato impostato mediante
88 il set: si assegnano quali flussi devono essere confrontati e qual è il fattore moltiplicativo che mette in relazione le portate.
• LNG Heat Exchanger
È stato usato per simulare lo scambiatore multiflusso. Sono stati messi all’ingresso i due flussi di azoto provenienti dal Tee, i due flussi di azoto provenienti dalle turbine e il flusso di metano. Il colore rosso indica la presenza di un fluido caldo e quindi da raffreddare e il colore blu indica la presenza di un fluido freddo e quindi da riscaldare.
Sono state assegnate le perdite di carico pari a 10 kPa, la temperatura di uscita del metano.
• Expander
89 Questo componente simula l’espansione dell’azoto. Nel caso delle turbine radiali l’Adiabatic Efficiency è stata assegnata pari a 85 e nel caso degli espansori a vite pari a 65. Inoltre, sono state definite le temperature all’ingresso e la pressione di fine espansione per quanto riguarda la turbina/espansore a bassa pressione.
• Control Valve
Figura 41 Elemento Aspen HYSYS-Control Valve
Questo componente è stato usato per simulare la laminazione del metano ormai liquefatto per portarlo alla pressione del serbatoio. È stata assegnata la pressione di fine laminazione che è stata poi inserita nelle variabili dell’ottimizzatore.
• Separator
Figura 42Elemento Aspen HYSYS-Separator
Questo componente simula la separazione della fase liquida da quella gassosa. Il gas naturale in forma gassosa viene ricompresso fino a 4 bar e rinviato in ingresso al treno di compressori del gas mentre quella liquida viene laminato fino alla pressione del serbatoio criogenico a 1.5 bar.
90 • Recycle
Figura 43Elemento Aspen HYSYS-Recycle
Il recycle serve per il ricircolo del metano in fase gassosa proveniente dal serbatoio e destinato al treno di compressione: senza questo componente il software dovrebbe ricorrere a metodi di calcolo iterativi.
Un altro recycle è stato utilizzato per il ricircolo dell’acqua proveniente dalla torre evaporativa che deve essere riportata negli shell and tube.
• Cooler
Figura 44Elemento Aspen HYSYS-Cooler
Il cooler è stato utilizzato per rappresentare e simulare la torre evaporativa. In esso vengono convogliate tutte le portate d’acqua provenienti dai vari shell and tube. Avendo già assegnato la temperatura di ingresso e uscita dell’acqua dagli shell and tube, l’utilità di questo componente sta nell’immediato calcolo da parte del software del calore asportato dalla torre evaporativa (flusso in viola).
Nello stesso flowsheet ma non direttamente collegato all’impianto è stato riportato un modello della torre evaporativa così schematizzato:
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Figura 45Elemento Aspen HYSYS-Schema torre evaporativa
L’elemento fondamentale è un Vessel con funzione di separatore: in esso entrano l’acqua e l’aria prelevata dall’ambiente a 25 °C per essere separati come acqua di ricircolo raffreddata a 30 °C e aria umida. L’aria umida viene fatta passare per un compressore (di efficienza isoentropica 60%) che ha il compito di portare l’aria umida dalla pressione del serbatoio a quella atmosferica. La potenza assorbita dal compressore equivale a quella che assorbe il ventilatore della torre in convezione forzata.
La portata di acqua di reintegro è stata fissata mediante uno spreadsheet pari all’acqua contenuta nell’aria umida in uscita.
Mediante l’adjust è stata invece fissata la portata di aria in ingresso: la portata deve essere tale per cui l’acqua di ricircolo destinata ai vari shell and tube venga raffreddata fino a 30°C.
• Pump
92 Questo componente rappresenta il pompaggio dell’acqua in uscita dalla torre evaporativa per essere riportata alla pressione di 1 bar in seguito alle perdite di carico che l’acqua ha subito negli shell and tube.
• Mixer
Figura 47Elemento Aspen HYSYS-Mixer e set
Figura 48Elemento Aspen HYSYS-Mixer
Il mixer è utilizzato per rappresentare il convogliamento delle portate di azoto dopo che la portata uscente dalla turbina di bassa pressione è stata ricompressa: per fissare la pressione di fine compressione dell’azoto è stato utilizzato un altro set. Un altro mixer è stato usato per rappresentare il convogliamento delle varie portate d’acqua in uscita dagli shell and tube prima che entrino nella torre evaporativa.
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