تحلیل فنی-اقتصادی و تحلیل حساسیت فرآیند مایع‌سازی گاز طبیعی با استفاده از چرخه مبرد مخلوط پیش‌سردشده با پروپان

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان
سحر عرش تبار 1
مجتبی بیگلری 2
محمد صادق ولی پور 3
1 دانشجوی دکترا، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران
2 دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران
3 استاد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران
20.1001.1/jgt.2026.2069422.1059
چکیده
گاز طبیعی مایع‌شده نقش اساسی در گذار جهانی انرژی ایفا می‌کند، زیرا امکان انتقال گاز طبیعی در مسافت‌های طولانی را با میزان انتشار آلاینده کمتر فراهم می‌سازد. ازاین‌رو، بهبود بازده انرژی و امکان‌پذیری اقتصادی فرآیندهای مایع‌سازی گاز طبیعی اهمیت ویژه‌ای دارد. در این پژوهش، یک تحلیل جامع فنی–اقتصادی به‌همراه ارزیابی حساسیت فرآیند مایع‌سازی گاز طبیعی با استفاده از چرخه مبرد مخلوط پیش‌سردشده با پروپان ارائه شده است. یک شبیه‌سازی حالت پایا در نرم‌افزار اسپن هایسیس نسخه ۱۲ توسعه داده شد و برای مدل‌سازی دقیق رفتار برودتی جریان‌های چندجزئی از معادله حالت پنگ–رابینسون استفاده گردید. فرآیند به دو زیرسامانه یکپارچه شامل پیش‌سردسازی با پروپان و زیرسردسازی با مبرد مخلوط تقسیم شد و عملکرد آن با استفاده از شاخص‌های کلیدی نظیر مصرف انرژی، نیاز توان الکتریکی و انتشار غیرمستقیم دی‌اکسید کربن ارزیابی گردید.
نتایج نشان می‌دهد که اگرچه چرخه مبرد مخلوط به توان الکتریکی اندکی بیشتر نسبت به مرحله پیش‌سردسازی با پروپان نیاز دارد، اما منجر به کاهش مصرف کل انرژی، کاهش نیاز به آب خنک‌کننده و کاهش قابل‌توجه انتشار آلاینده‌های زیست‌محیطی می‌شود. از منظر اقتصادی، برآورد هزینه‌ها بر اساس شاخص‌های به‌روز هزینه تجهیزات فرایندی بیانگر آن است که این بهبودهای فنی به عملکرد مالی مطلوبی منجر شده و با سودآوری بالا و دوره بازگشت سرمایه کوتاه در شرایط متعارف بازار گاز طبیعی مایع‌شده همراه است. تحلیل حساسیت همچنین نشان می‌دهد که نرخ‌های بالاتر خوراک گاز طبیعی، دبی‌های متوسط مبرد و فشار ورودی نزدیک به ۶۵ بار، بهترین توازن میان بازده انرژی و بازده اقتصادی را فراهم می‌کنند. در مجموع، یافته‌های این پژوهش تأیید می‌کند که چرخه مبرد مخلوط پیش‌سردشده با پروپان گزینه‌ای کارآمد و عملی برای تولید گاز طبیعی مایع‌شده در مقیاس بزرگ است و به‌طور مؤثری بهبود عملکرد ترمودینامیکی را با نتایج اقتصادی مطلوب پیوند می‌دهد.
کلیدواژه‌ها
چرخه مبرد مخلوط پیش‌سردشده با پروپان
گاز طبیعی مایع‌شده
ارزیابی فنی-اقتصادی
شبیه‌سازی فرایندی
بهینه‌سازی فرایند
تحلیل حساسیت
موضوعات
Ahmed, R., Mahadzir, S., Ferdush, J., Matovu, F., Mota-Babiloni, A., Hafyan, R. H., 2024. Surrogate-assisted constrained hybrid particle swarm optimization algorithm for propane pre-cooled mixed refrigerant LNG process optimization. Energy 305, 132165. https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.132165
 
Alabdulkarem, A., Mortazavi, A., Hwang, Y., Radermacher, R., Rogers, P., 2011. Optimization of propane pre-cooled mixed refrigerant LNG plant. Applied Thermal Engineering 31(6–7), 1091–1098. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2010.12.003
 
Almeida-Trasvina, F., Smith, R., 2023. Design and optimisation of novel cascade mixed refrigerant cycles for LNG production–Part I: Benchmark cascade cycles. Chemical Engineering Research and Design 190, 619–633. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2022.12.046
 
Balcombe, P., Staffell, I., Kerdan, I. G., Speirs, J. F., Brandon, N. P., Hawkes, A. D., 2021. How can LNG-fuelled ships meet decarbonisation targets? An environmental and economic analysis. Energy 227, 120462. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.120462
 
Bansod, Y., Jafari, M., Pawanipagar, P., Ghasemzadeh, K., Spallina, V., D’Agostino, C., 2025. Techno-economic assessment of bio-based routes for acrylic acid production. Green Chemistry 27(35), 10612–10632. https://doi.org/10.1039/D5GC01769F
 
Behroozsarand, A., Ghasemzadeh, K., 2022. GTL Process Simulation and Sensitivity Analysis: Zero CO2 Emission and Productivity Improvement. Chemical Process Design 1(1), 1–16. https://doi.org/10.22111/cpd.2022.42322.1000
 
Cui, F., Pan, L., Pang, Y., Chen, J., Shi, F., Liang, Y., 2024. A new multi-objective optimization strategy for improved C3MR liquefaction process. Processes 12(3), 542. https://doi.org/10.3390/pr12030542
 
Falsafi, M., Vatani, A., Abbasi, M., Palizdar, A., 2024. An efficient thermo-hydraulic model for the investigation of a plate-fin heat exchanger in a single mixed refrigerant process. International Journal of Heat and Mass Transfer 227, 125507. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.125507
 
Fikri, M., Hendrarsakti, J., Sambodho, K., Felayati, F., Octaviani, N., Giranza, M., Hutomo, G., 2018. Estimating capital cost of small scale LNG carrier. In: Proceedings of the 3rd International Conference on Marine Technology (SENTA), Surabaya, Indonesia, pp. 225–229. https://doi.org/10.5220/0008542102250229
 
Ghasemzadeh, K., Jafari, M., Sari, A., Babalou, A. A., 2016. Performance investigation of membrane process in natural gas sweetening by membrane process: modeling study. Chemical Product and Process Modeling 11(1), 23–27. https://doi.org/10.1515/cppm-2015-0054
 
Ghasemzadeh, K., Jafari, M., Basile, A., 2017. Theoretical study of various configurations of membrane processes for olefins separation. International Journal of Membrane Science and Technology 4(1), 1–7. https://doi.org/10.15379/2410-1869.2017.04.01.01
 
Ghasemzadeh, K., Jafari, M., Bansod, Y., Spallina, V., Ferrari, M.-C., Iulianelli, A., 2025. Integrated environmental and techno-economic assessment for membrane-based gas-to-liquid process to green flare gas valorisation. Fuel Processing Technology 279, 108357. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2025.108357
 
Hajji, A., Chahartaghi, M., Kahani, M., 2019. Thermodynamic analysis of natural gas liquefaction process with propane pre-cooled mixed refrigerant process (C3MR). Cryogenics 103, 102978. https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2019.102978
 
Jafari, M., Ghasemzadeh, K., Yousefi, A. T., Basile, A., 2019. Comparative study of membrane and absorption processes performance and their economic evaluation for CO2 capturing from flue gas. Gas Processing Journal. https://doi.org/10.22108/gpj.2019.116263.1053
 
Jafari, M., Deljoo, M. S., Vatani, A., 2020a. Simulation and economic evaluation of polygeneration system for coproduction of power, steam, CH3OH, H2, and CO2 from flare gas. Iranian Journal of Oil and Gas Science and Technology 9(4), 93–114. https://doi.org/10.22050/ijogst.2020.227023.1547
 
Jafari, M., Sarrafzadeh, M.-H., Ghasemzadeh, K., 2020b. Simulation and economic evaluation of heat and power generation from flare gases in a combined cycle power plant. Energy Equipment and Systems 8(4), 307–322. https://doi.org/10.22059/ees.2020.241289
 
Jafari, M., Khalili-Garakani, A., 2021a. Simulation and techno-economic analysis of hydrotreating process of mazut. Applied Research in Chemical - Polymer Engineering 5(1), 17–30. https://doi.org/10.22111/jarche.2021.194
 
Jafari, M., Khalili-Garakani, A., 2021b. Techno-economic analysis of heavy fuel oil hydrodesulfurization process for application in power plants. Iranian Journal of Oil and Gas Science and Technology 10(1), 40–65. https://doi.org/10.22050/ijogst.2020.254534.1569
 
Jafari, M., Nezhadfard, M., Khalili-Garakani, A., 2021c. Simulation and economic analysis of combined desalinated water and power generation from associated gases of Cheshmeh Khosh. Iranian Journal of Oil and Gas Science and Technology 10(1), 1–14. https://doi.org/10.22050/ijogst.2020.219350.1536
 
Jafari, M., Vatani, A., Deljoo, M. S., Khalili-Garakani, A., 2021d. Techno-economic analysis of flare gas to gasoline (FGTG) process through dimethyl ether production. Journal of Gas Technology 6(2), 28–44. http://jgt.irangi.org/article_251676.html
 
Jafari, M., Khorshidian, M., Rahimi Esboee, M., Kord Firouzjaei, V., Vatani, A., 2023. Design and simulation of hydrogen production from diesel reforming for fuel cell applications. Journal of Gas Technology 8(2), 56–73. https://jgt.irangi.org/article_714881.html
 
Jafari, M., Spallina, V., Ghasemzadeh, K., 2024a. Techno-economic assessment of flare gas valorisation during membrane-based GTL process by net-zero strategy. Energy Conversion and Management 315, 118796. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2024.118796
 
Jafari, M., Vatani, A., Mohammadi, T., 2024b. CFD modeling of braid-reinforced hollow fiber membranes for efficient water and bovine serum albumin (BSA) separation. Journal of Water Process Engineering 65, 105746. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2024.105746
 
Khan, S. R., Zeeshan, M., Fatima, S., Ciolkosz, D., Dimitriou, I., Jin, H., 2023. A comparative techno-economic analysis of combined oil and power production from pyrolysis and co-pyrolysis plants utilizing rice straw and scrap rubber tires. Fuel 348, 128639. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2023.128639
 
Khosravi, M., Jafari, M., Ghasemzadeh, K., Iulianelli, A., 2025. Enhancing styrene production: CFD analysis of a Pd-based membrane reactor to carry out ethylbenzene dehydrogenation. Fuel Processing Technology 270, 108191. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2025.108191
 
Palizdar, A., Ramezani, T., Nargessi, Z., AmirAfshar, S., Abbasi, M., Vatani, A., 2019. Advanced exergoeconomic evaluation of a mini-scale nitrogen dual expander process for liquefaction of natural gas. Energy 168, 542–557. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.11.058
 
Primabudi, E., Morosuk, T., Tsatsaronis, G., 2019. Multi-objective optimization of propane pre-cooled mixed refrigerant (C3MR) LNG process. Energy 185, 492–504. https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.07.035
 
Sanavandi, H., Ziabasharhagh, M., 2016. Design and comprehensive optimization of C3MR liquefaction natural gas cycle by considering operational constraints. Journal of Natural Gas Science and Engineering 29, 176–187. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2015.12.055
 
Shady, R., Ahmed, S. F., Sleiti, A. K., 2024. Operation optimization of propane pre-cooled mixed refrigerant LNG process: A novel integration of knowledge-based and constrained Bayesian optimization approaches. Chemical Engineering Science 300, 120560. https://doi.org/10.1016/j.ces.2024.120560
 
Shahab-Deljoo, M., Medi, B., Kazi, M.-K., Jafari, M., 2023. A techno-economic review of gas flaring in Iran and its human and environmental impacts. Process Safety and Environmental Protection 173, 642–665. https://doi.org/10.1016/j.psep.2023.03.051
 
Sleiti, A. K., Al-Ammari, W. A., 2023. Novel integration between propane pre-cooled mixed refrigerant LNG process and concentrated solar power system based on supercritical CO2 power cycle. Energy Reports 9, 4872–4892. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2023.04.012
 
Stewart, W. R., Shirvan, K., 2022. Capital cost estimation for advanced nuclear power plants. Renewable and Sustainable Energy Reviews 155, 111880. https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.111880
 
Towler, G., Sinnott, R., 2021. Chemical engineering design: Principles, practice and economics of plant and process design, 2nd ed. Butterworth-Heinemann, Oxford.
 
Vatani, A., Mehrpooya, M., Palizdar, A., 2014. Advanced exergetic analysis of five natural gas liquefaction processes. Energy Conversion and Management 78, 720–737. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2013.11.050
 
Wang, J., Deng, M., Chen, T., 2025. How does the penetration of new energy vehicles affect global energy security? Empirical evidence from multiple countries. Energy Strategy Reviews 62, 101945. https://doi.org/10.1016/j.esr.2025.101945
 
Yoon, S., Mun, H., Ga, S., Park, J., Lee, I., Chung, Y. G., 2025. Modeling, screening, and techno-economic evaluation of metal–organic frameworks for boil-off gas capture during intercontinental transportation of LNG. Chemical Engineering Journal 507, 160517. https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.160517
 
Yu, Y., Su, J., Wu, B., 2026. A sophisticated computational approach for flexural strength prediction and mix proportion optimization of steel fiber-reinforced concrete. Applied Soft Computing 186, 114181. https://doi.org/10.1016/j.asoc.2025.114181
 
Yuan, J., Shi, X., He, J., 2024. LNG market liberalization and LNG transportation: Evaluation based on fleet size and composition model. Applied Energy 358, 122657. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.122657
 
Zhai, C., Cao, Z., Wang, Y., Abdou-Tankari, M., Yu, J., Lei, Z., 2025. A reverse incentive-based demand response strategy for shared energy storage in industrial microgrids: Optimization, scheduling, and investment analysis. Energy 330, 136882. https://doi.org/10.1016/j.energy.2025.136882
 
Zhao, Y., Qian, C., Shi, G., Li, M., Qiu, Z., Zhang, B., Wu, Z., 2024. Study on rapid simulation of the pre-cooling process of a large LNG storage tank with the consideration of digital twin requirements. Energies 17(14), 3471. https://doi.org/10.3390/en17143471