6
7/23/2019 kherbeck2014 http://slidepdf.com/reader/full/kherbeck2014 1/6 Optimizingethanerecoveryinturboexpanderprocesses Laura Kherbeck, Rachid Chebbi * Department of ChemicalEngineering,  AmericanUniversityof Sharjah, POBox 26666,Sharjah, United ArabEmirates 1.Introduction Therearemanyextractionprocessesfornaturalgasliquids whichinclude Joule–Thompson (JT)expansion, refrigerationusing propaneinachiller,andturboexpansion. Moreoftenthannot,all threeprocessesareusedatonce.Mixedrefrigerantscanalsobe used[1]butthemostpopularprocessinthenaturalgasliquids (NGL)-recovery industryisturboexpansion. Areviewof NGL recoverycanbefoundinManningandThompson[1],McKee[2], Pitmanetal.[3], GPSA[4],Chebbietal.[5,6],Mehrpooya etal.[7] andinthereferencestherein. Theoptimizedconventional process forethanerecovery[5],towhichthepresentresultsarecompared, isshowninFig.1. Thecoldresiduerecycle(CRR)process, examined inthispaper(Fig.2), isclaimedtoprovideveryhighethane recovery, above98%[4].TheCRR process[3,4,8]isbuiltuponthe gassubcooledprocess(GSP). IntheGSP[4], thegasleavingthe separator issplit,withonefractionsubcooledbyheatexchange with the overhead stream from the demethanizer, and the other fractionenteringtheturboexpander. Thefractionsubcooledbythe demethanizer overheadstreamisflashedinavalveandfedtothe towerasreflux[4]. TheGSPprocessisconsideredinthepresent work(Fig.3).TheprocessinFig.4, referredtoasGSPwithcold separator intherestof themanuscript, hasacoldseparator operating atalowertemperature thanthechillertemperature. The CRR processhasoneadditionwhencomparedtotheGSPprocess (Fig.3):arefluxstreamtorectifythevaporsinthedemethanizer towerinordertominimizetheamountof ethaneandotherheavier hydrocarbons thatleavewiththeoverhead. Acompressor isused toboostpartof thedemethanizer overheadstreamtoaslightly higherpressuresothatafractionof themethanecouldbeliquefied bytheflashedstreamandsenttothetopstageof thedemethanizer (seeFig.2).Theflashedfeedtothedemethanizer wouldcondense someof theethanefromtheturboexpander outletvaporandthe liquidrefluxstreamwouldcondensesomeof theremainingethane vaporsatthetopof thetower. Maximumethanerecoverycanbecarriedoutbychanginga selectnumberof designvariables. EthaneandNGL recovery problemsarecharacterizedbyalargenumberof designvariables affectingethaneandNGL recoverythatinclude,butarenotlimited todemethanizer pressureandsplitratio(s) if any. Thepresentpaperconsiderstheeffectof demethanizer pressure on maximum ethane recovery for the CRR process as comparedtoaconventional turboexpander process[5]. Further- more,GSP(withoutorwithcoldseparator) isconsideredandits performance comparedtoboththeCRR processandthe conventional turboexpander process[5]foraleanandarichfeed gasatdifferentdemethanizer pressures. Optimization isper- formedbymaximizingthepercentethanerecovery. Ethane recoveryasafunctionof demethanizer pressureisthenreported andanalyzedforthetwotypesof feed.Feedcomposition, flow rates,temperature andpressureareidenticaltothevaluesusedin Bandonietal.[9],andChebbietal.[5,6]forfeedsAandD.  Journal of Industrial andEngineering Chemistryxxx(2014)xxx–xxx ATICEINFO  Article history: Received5October2013 Accepted19February2014 Available online xxx Keywords: Simulation Ethanerecovery Natural gasliquids(NGL) Turboexpander Coldresiduerecycle(CRR) Gassubcooledprocess(GSP) ABSTACT Optimization of ethane recovery usingthe CRR process shows that, except for thecase of lean gas at low demethanizer pressure,theCRRprocess reduces to GSP, in which there is no reflux streamand therefore no added cryogenic compression and heat exchange equipment. Adding a second cold separator, operating at lower temperature, in GSP is found to lead to more or less recovery depending on the NGL content of the feed gas and the demethanizer pressure. GSP is also compared with the conventional turboexpander process. Optimization shows that adding more equipment or even flow splitting may lead to less ethane recovery. 2014 The Korean Society of Industrial and Engineering Chemistry. Published by Elsevier B.V. All rights reserved. * Correspondingauthor. Tel.:+97165152983. E-mailaddress:[email protected] (R.Chebbi). G Model JIEC-1925;No.of Pages6 Pleasecitethisarticleinpressas:L.Kherbeck, R.Chebbi, J.Ind.Eng.Chem. (2014), http://dx.doi.org/10.1016/j.jiec.2014.02.035 ContentslistsavailableatScienceDirect  Journal of Industrial and Engineering Chemistry journalhomepage:www.elsevier.com /locate/jiec http://dx.doi.org/10.1016/j.jiec.2014.02.035 1226-086X/ 2014TheKoreanSocietyof Industrial andEngineeringChemistry. PublishedbyElsevierB.V.Allrightsreserved.

kherbeck2014

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: kherbeck2014

7/23/2019 kherbeck2014

http://slidepdf.com/reader/full/kherbeck2014 1/6

Optimizing 

ethane 

recovery 

in 

turboexpander 

processes

Laura Kherbeck, Rachid Chebbi*

Department   of   Chemical  Engineering,   American  University  of   Sharjah,  PO  Box   26666,  Sharjah,  United   Arab  Emirates

1.  Introduction

There  are  many   extraction  processes  for  natural  gas  liquids

which  include  Joule–Thompson  (JT)   expansion,  refrigeration  using

propane   in  a  chiller,  and  turboexpansion.  More  often  than  not,  all

three  processes  are  used  at  once.  Mixed  refrigerants  can  also  be

used  [1]  but  the  most  popular  process  in  the  natural  gas  liquids

(NGL)-recovery  industry  is  turboexpansion.  A  review  of   NGL 

recovery  can  be  found  in  Manning  and  Thompson  [1],  McKee  [2],

Pitman   et  al.  [3], GPSA  [4],   Chebbi  et  al.  [5,6],  Mehrpooya  et  al.  [7]

and  in  the  references  therein.  The  optimized  conventional  process

for  ethane  recovery  [5],  to  which  the  present  results  are  compared,

is  shown  in  Fig.  1. The  cold  residue  recycle  (CRR)  process,  examined

in  this  paper   (Fig.  2), is  claimed  to  provide  very  high  ethane

recovery,  above  98%  [4].  The  CRR   process  [3,4,8]  is  built  upon  the

gas  subcooled  process  (GSP).  In  the  GSP  [4], the  gas  leaving  the

separator  is  split,  with  one  fraction  subcooled  by  heat  exchange

with  the  overhead  stream  from  the  demethanizer,  and  the  otherfraction  entering  the  turboexpander.  The  fraction  subcooled  by  the

demethanizer  overhead  stream  is  flashed  in  a  valve  and  fed  to  the

tower  as  reflux  [4]. The  GSP  process  is  considered  in  the  present

work   (Fig.  3).  The  process  in  Fig.  4, referred  to  as  GSP  with  cold

separator  in  the  rest  of   the  manuscript,  has  a  cold  separator

operating  at  a  lower  temperature  than  the  chiller  temperature.  The

CRR   process  has  one  addition  when  compared  to  the  GSP  process

(Fig.  3):  a  reflux  stream  to  rectify  the  vapors  in  the  demethanizer

tower  in  order  to  minimize  the  amount  of   ethane  and  other  heavier

hydrocarbons  that  leave  with  the  overhead.  A  compressor  is  used

to  boost  part  of   the  demethanizer  overhead  stream  to  a  slightly

higher  pressure  so  that  a  fraction  of   the  methane  could  be  liquefied

by  the  flashed  stream  and  sent  to  the  top  stage  of   the  demethanizer

(see  Fig.  2).  The  flashed  feed  to  the  demethanizer  would  condense

some   of   the  ethane  from  the  turboexpander  outlet  vapor  and  the

liquid  reflux  stream  would  condense  some  of   the  remaining  ethane

vapors   at  the  top  of   the  tower.

Maximum  ethane  recovery  can  be  carried  out  by  changing  a

select  number  of   design  variables.  Ethane  and  NGL   recovery

problems   are  characterized  by  a  large  number  of   design  variables

affecting  ethane  and  NGL   recovery  that  include,  but  are  not  limited

to  demethanizer  pressure  and  split  ratio(s)  if   any.

The  present  paper  considers  the  effect  of   demethanizer

pressure  on  maximum  ethane  recovery  for  the  CRR   process  ascompared   to  a  conventional  turboexpander  process  [5]. Further-

more,   GSP  (without  or  with  cold  separator)  is  considered  and  its

performance  compared  to  both  the  CRR   process  and  the

conventional  turboexpander  process  [5]  for  a  lean  and  a  rich  feed

gas  at  different  demethanizer  pressures.  Optimization  is  per-

formed   by  maximizing  the  percent  ethane  recovery.  Ethane

recovery  as  a  function  of   demethanizer  pressure  is  then  reported

and  analyzed  for  the  two  types  of   feed.  Feed  composition,  flow

rates,  temperature  and  pressure  are  identical  to  the  values  used  in

Bandoni 

et 

al. 

[9], 

and 

Chebbi 

et 

al. 

[5,6] 

for 

feeds 

and 

D.

 Journal  of   Industrial  and  Engineering  Chemistry  xxx  (2014)   xxx–xxx

A  R   T  I   C  L   E  I  N  F   O

 Article history:

Received  5  October  2013

Accepted  19  February  2014

Available online xxx

Keywords:

Simulation

Ethane  recovery

Natural  gas  liquids  (NGL)

Turboexpander

Cold   residue  recycle  (CRR)

Gas  subcooled  process  (GSP)

A  B  S  T  R   A  C  T

Optimization of ethane recovery usingthe CRR process shows that, except for thecase of lean gas at low

demethanizer pressure, theCRRprocess reduces to GSP, in which there is no reflux streamand therefore

no added cryogenic compression and heat exchange equipment. Adding a second cold separator,

operating at lower temperature, in GSP is found to lead to more or less recovery depending on the NGL content of the feed gas and the demethanizer pressure. GSP is also compared with the conventional

turboexpander process. Optimization shows that adding more equipment or even flow splitting may

lead to less ethane recovery.

2014 The Korean Society of Industrial and Engineering Chemistry. Published by Elsevier B.V. All rights

reserved.

*  Corresponding   author.  Tel.:  +971  65152983.

E-mail  address:  [email protected]  (R.  Chebbi).

G Model

JIEC-1925;  No.  of   Pages  6

Please  cite  this  article  in  press  as:  L.  Kherbeck,  R.  Chebbi,   J.  Ind.  Eng.  Chem.  (2014),  http://dx.doi.org/10.1016/j.jiec.2014.02.035

Contents 

lists 

available 

at 

ScienceDirect

 Journal of Industrial and Engineering Chemistry

jou r n  al  h o mepag e:  w ww.elsev ier .co  m  / locate / j iec

http://dx.doi.org/10.1016/j.jiec.2014.02.035

1226-086X/  2014   The  Korean  Society  of   Industrial  and  Engineering  Chemistry.  Published  by  Elsevier  B.V.  All   rights  reserved.

Page 2: kherbeck2014

7/23/2019 kherbeck2014

http://slidepdf.com/reader/full/kherbeck2014 2/6

2. 

Simulation 

and 

optimization

 2.1.  CRR   process

The 

study 

was 

conducted 

by 

first 

simulating 

the 

CRR  

process.

Fig.  2  demonstrates  the  process  flow  sheet  for  the  CRR   process.  The

figure 

does 

not 

depict 

the 

refrigeration 

loop, 

which 

is 

connected 

to

the  main  process  through  the  chiller.  The  feed  is  first  cooled  by

providing  the  duty   necessary  for  the  reboiler,  and  further  cooling  of 

the 

feed 

is 

achieved 

by 

heat 

exchange 

with 

the 

residue 

gas. 

The

four 

demethanizer 

pressures 

considered 

are 

100, 

215, 

335, 

and

450  psia  as  in  [5,6]. The  pressures  are  grouped  as  low  (100  psia),

Fig.  1.  Conventional  ethane  recovery  process  optimized  for  maximum  ethane  recovery  in  [5].

Fig.  2.  CRR   process  flow  sheet.

Fig.  3.  Gas  subcooled  process  (GSP)  flow  sheet.

L. Kherbeck,  R.  Chebbi   /   Journal  of   Industrial  and  Engineering   Chemistry   xxx  (2014)   xxx–xxx2

G Model

JIEC-1925;   No.  of   Pages  6

Please  cite  this  article  in  press  as:  L.  Kherbeck,  R.  Chebbi,   J.  Ind.  Eng.  Chem.  (2014),  http://dx.doi.org/10.1016/j.jiec.2014.02.035

Page 3: kherbeck2014

7/23/2019 kherbeck2014

http://slidepdf.com/reader/full/kherbeck2014 3/6

intermediate 

(215 

psia), 

and 

high 

(335 

and 

450 

psia) 

and 

cover 

the

typical 

range 

of  

demethanizer 

operating 

pressures, 

100–450 

psia

[1].  The  reboiler  duty  cannot  be  provided  through  heat  integration

at  high  demethanizer  pressures  (335  and  450  psia)  due  to  the  fact

that 

the 

temperature 

profile 

in 

the 

column 

is 

shifted 

up 

and 

the

feed 

gas 

temperature 

ceases 

to 

be 

enough 

to 

provide 

the 

reboiler

duty,  as  also  indicated  in  [6].

The pre-cooled  feed is  senttoa  chiller  where   propane   is  usedto

reduce its temperature to 

31 8F. 

This 

temperature 

was 

selected

to  maximizecooling; taking  into account the lowest  temperature

allowed   in   the chiller  of   40 

8F  required to  avoid  air leakage  into

the 

system [1], 

and temperature approach in 

the 

chiller. The cold

feed from the  chiller enters  a  separator where  thegas  is   separatedfrom the  liquid.  A  portion of   the  separated   gas   is   cooled by heat

exchange with  a  fraction of   the overhead stream leaving  the

demethanizer column. It is 

then 

expanded through 

 JT 

expansion

and enters another 

heat exchanger designed 

to cool 

portion of 

the  recycled  overhead, following  which  the  stream enters  the

demethanizer.   The other  portion   of   the  separated   gas is  expanded

in 

turboexpander 

andsent to thedemethanizerat 

lower 

stage.

fraction of  

the 

liquid 

leaving 

the 

separator is 

mixed with 

the

separator gas outlet  that goes  into   heat exchange, while  the

remainder undergoes JT  expansionto column pressureand enters

the 

demethanizer at 

lower 

stage than 

the 

feed stream from the

turboexpander. 

The 

flashed 

split-vapor 

stream is 

not cold 

enough

to  condense   partially the  overhead methane  reflux stream at  the

operating pressure of  

the 

demethanizer. Thus, a 

cryogeniccompressor

 

is 

used to 

boost 

part 

of  

the demethanizer 

overhead

to 

slightly 

higher 

pressure so that a 

fraction 

of  

the methane 

can

then be  condensed  [3].  The compressed overhead is  cooled, and

then   expanded   through   a  valve  before   being  suppliedto the  topof 

the 

tower. The fractionof  

the overhead 

that is 

notrefluxedback is

termed the 

residue 

gas. Part 

of  

the power 

required 

to 

recompress

the  residue gas  is  provided by  the  turboexpander, but a

recompressor is  needed to bring the  residue  gas pressure up  to

882 

psia. Two different 

feeds 

are considered: 

feed A 

and feed D 

as

in 

[5,6,9]. 

The compositions 

in 

terms 

of  

mole 

fractions 

are given in

Table  1.  FeedA  is   a  lean gaswith  6% C2+ content,   andD  is   a  rich   feed

with   30% C2+ content.   Thefeedgasenters  the NGLrecovery  unit at

100 8F 

and 

882 psia, 

the residue 

gas is 

recompressed to 

882 psia,

and the 

molar ratio 

of  

C1 to 

C2 in 

the NGL stream is 

set to 

0.02 

in

consistency  with   the   typical range  in   [1].  In   all cases, the feed gas

flow  rate  is   10,980 lbmol/h.  The maximum  conventional   tur-

boexpander ethane 

recovery 

values were 

obtained from 

[5].

 2.2.  GSP   and  GSP   with  cold  separator 

The 

gas 

subcooled 

process 

(GSP) 

and 

GSP 

with 

cold 

separator

are 

shown 

in 

Figs. 

and 

4, respectively.

3. 

Results 

and 

discussion

The  simulation  was  performed  using  Aspen  HYSYS  with  the

Peng-Robinson 

thermodynamic 

package. 

The 

optimization 

in-volved

 

changing 

the 

design 

variables 

affecting 

ethane 

and 

NGL 

recovery  to  maximize  the  objective  function,  defined   as  the  ratio  of 

ethane  in  the  NGL   stream  to  the  ethane  in  the  feed.  The  design

variables 

selected 

were 

the 

split 

ratios 

in 

all 

of  

the 

splitters, 

the

temperatures 

at 

the 

outlet 

(higher 

temperature 

side) 

of  

the 

heat

exchangers  following  the  mixer,  and  the  cryogenic  compressor

outlet  pressure.  The  constraints  were  set  so  as  to  prevent

temperature 

cross 

in 

all 

the 

heat 

exchangers 

and 

to 

ensure 

that

the 

reflux 

stream 

is 

colder 

than 

the 

flashed 

split-vapor 

stream 

as

they  enter  the  demethanizer.  Optimization  thus  yielded  the

optimum  values  of   the  design  variables  affecting  ethane  and

NGL  

recovery 

for 

each 

demethanizer 

pressure 

for 

both 

lean 

and

rich 

feeds, 

i.e. 

the 

values 

that 

contributed 

to 

the 

highest 

ethane

recovery.

Fig.  4.  GSP  with  cold  separator.

 Table  1

Feed  gas  composition.

Component  Feed  A  Feed  D

Nitrogen  0.01  0.01

Methane  0.93  0.69

Ethane  0.03  0.15

Propane  0.015  0.075

Butanes  0.009  0.045

Pentanes  0.003  0.015

Hexanes  0.003  0.015

C2+  (%)   6  30

L.  Kherbeck,  R.  Chebbi   /   Journal  of   Industrial  and  Engineering   Chemistry   xxx  (2014)   xxx–xxx  3

G Model

JIEC-1925;  No.  of   Pages  6

Please  cite  this  article  in  press  as:  L.  Kherbeck,  R.  Chebbi,   J.  Ind.  Eng.  Chem.  (2014),  http://dx.doi.org/10.1016/j.jiec.2014.02.035

Page 4: kherbeck2014

7/23/2019 kherbeck2014

http://slidepdf.com/reader/full/kherbeck2014 4/6

 3.1. 

Feed 

 A

The  HYSYS  optimizer  tool   indicated  that  the  CRR   process  indeedmade  recoveries  of   99.9%  possible  only  for  a  demethanizer

pressure 

of  

100 

psia 

and 

for 

the 

lean 

feed 

gas 

A. 

For 

all 

the 

higher

demethanizer 

pressures, 

results 

indicated 

that 

for 

feed 

A, 

the

optimum  process  would  not  include  the  reflux.  Initially,  these

results  were   suspected  after  a  sensitivity  analysis  was  carried  out

on 

the 

split 

ratio 

in 

the 

overhead 

splitter 

and 

the 

cryogenic

compressor 

outlet 

pressure. 

Later, 

optimization 

using 

the 

HYSYS

optimizer  tool  confirmed  the  results.  The  configuration  in  Fig.  2  has

hence  been  altered  to  discard  the  reflux  splitter,  the  cryogenic

compressor, 

heat 

exchanger, 

and 

expansion 

valve, 

while 

retaining

the  two  splitters  at  the  top  and  bottom   outlets  of   the  first  separator.

The  results  summarized  in  Fig.  5, show  how  ethane  recovery  with

the 

CRR/GSP 

compares 

to 

the 

recovery 

from 

the 

conventional

turboexpander  process  [5]. It  can  be  seen  that  the  CRR   process,  andhence  the  GSP,   are  not  as  effective  at  high  demethanizer  pressures,

while  the  conventional  turboexpander  process  is  not  as  effective  as

the 

other 

two 

processes 

at 

low 

and 

intermediate 

demethanizer

pressures.Some  of   the  differences  between  the  GSP  (Fig.  3), and  the

conventional 

turboexpander 

process 

in 

[5] 

(also 

shown 

in 

Fig. 

1),

lie 

in 

the 

two 

splitters 

at 

the 

outlet 

of  

the 

separator 

operating 

at

31 

8F  in  the  GSP  case,  and  also  in  the  additional  cold  separator  in

the  conventional  turboexpander  process  [5].  However,  since  the

GSP 

has 

been 

shown 

to 

give 

superior 

recovery 

at 

low 

and

intermediate 

pressures, 

and 

lower 

recovery 

at 

high 

pressures, 

it

was  postulated  that  the  difference  could  lie  in  the  additional  cold

separator  utilized  in  the  conventional  turboexpander  process.

Thus, 

the 

GSP 

was 

modified 

by 

adding 

cold 

separator 

operating 

at

a  temperature  lower  than  the  chiller  temperature.  At  high

demethanizer  pressures,  GSP  with  cold  separator  provided  higher

recoveries 

than 

GSP, 

and 

slightly 

higher 

ethane 

recoveries 

than 

the

conventional  turboexpander  values  [5]. The  separator  overheadstream  splitter  was  found  unnecessary,  leading  to  the  simplified

flow  sheet  in  Fig.  6. At  low  and  intermediate  pressures,  GSP  with

Demethanizer pressure, psia

50 100 150 200 250 300  350 400 450 500

   C   2

  r  e  c  o  v  e  r  y ,

   %

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

CRR/GSP (CRR at 100 psia, GSP at higher P)

Conventional turboexpander

GSP with cold separator (GSP at 100 & 215 psia)

Feed A

Fig.  5.  Effect  of   demethanizer  pressure  on  ethane  recovery  for  the  lean  gas  feed  A;

conventional  turboexpander  results  from   [5].

Fig.  6.  GSP  with  cold  separator  process  (feed  A  at  high  demethanizer  pressure  configuration  or  feed  D  at  all   demethanizer  pressures).

Demethanizer pressure, psia

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

   C   2

  r  e  c  o  v  e  r  y ,

   %

50

60

70

80

90

100

GSP

Conventionel turboexpander 

GSP with cold separator 

Feed D

Fig.  7.  Effect  of   demethanizer  pressure  on  ethane  recovery  for  the  rich  gas  feed  D;

conventional  turboexpander  results  from   [5].

L.  Kherbeck,  R.  Chebbi   /   Journal  of   Industrial  and  Engineering   Chemistry   xxx  (2014)   xxx–xxx4

G Model

JIEC-1925;   No.  of   Pages  6

Please  cite  this  article  in  press  as:  L.  Kherbeck,  R.  Chebbi,   J.  Ind.  Eng.  Chem.  (2014),  http://dx.doi.org/10.1016/j.jiec.2014.02.035

Page 5: kherbeck2014

7/23/2019 kherbeck2014

http://slidepdf.com/reader/full/kherbeck2014 5/6

cold  separator  was  found  to  reduce  to  GSP,   with  zero  vapor  flow

rate 

leaving 

the 

cold 

separator.

 3.2.  Feed  D

In 

the 

optimization 

for 

rich 

gas 

D, 

the 

CRR  

process 

was 

tested

first 

and 

found 

to 

reduce 

to 

GSP. 

The 

ethane 

recovery 

from 

GSP 

was

compared   to  the  recovery  from  the  conventional  turboexpander

process 

[5]. 

The 

results 

are 

shown 

in 

Fig. 

7. At 

low 

and 

intermediate

demethanizer  pressures,  GSP  and  the  conventional  turboexpander

process  were   found  to  give  close  ethane  recoveries.  The  deviations

in  recovery  were  observed  at  high  demethanizer  pressures  at

which 

the 

GSP 

gave 

better 

recovery 

than 

the 

conventional

turboexpander 

process. 

For 

this 

particular 

feed, 

the 

GSP 

with 

cold

separator  was  also  tested  and  found  to  give  recovery  values  similar

to  the  other  processes  tested  for  low  and  intermediate  pressures.  In

the 

high 

pressure 

range, 

the 

recovery 

from 

the 

GSP 

with 

cold

separator 

fell between 

the 

values 

from 

the 

GSP 

and 

the 

conventional

turboexpander   process   [5]. At  all demethanizer  pressures,   GSP  with

cold   separator  (Fig.  4)  reduced   to  the  configuration   in  Fig.  6,  with  no

need 

for 

the 

separator 

overhead 

splitter.

 3.3.  Ethane  recovery

Although 

the 

CRR  

process 

is 

frequently 

stated 

to 

allow 

for

ethane 

recoveries 

of  

99% 

or 

higher 

values 

[8], 

the 

process

optimization  yielded  significantly  lower  recovery  values  for

intermediate  and  high  demethanizer  pressures  in  the  case  of   feed

A, 

and 

all 

pressures 

for 

feed 

D. 

At 

low 

demethanizer 

pressures

(100 

psia), 

the 

reflux 

stream 

entering 

the 

tower 

is 

80.5 

8F colder

than  the  turboexpander  outlet  stream  entering  the  tower.  Forintermediate  pressure  (215  psia),  the  temperature  difference  is

56.5 

8F. It 

is 

speculated 

that 

it 

is 

the 

large 

temperature 

gap

observed 

at 

low 

demethanizer 

pressure 

that 

is 

responsible 

for 

the

superior  ethane  recovery  as  compression  not  only  enhances

pressure  but  also  temperature.  The  lowest  recovery  values  for  both

feeds 

and 

were 

the 

ones 

at 

the 

highest 

demethanizer 

pressure

(450 

psia).

Fig.  8  shows  the  effect  of   demethanizer  pressure  on  ethane

recovery  for  feeds  A  and  D.  For  all  the  processes,  the  impact  of   the

demethanizer 

pressure 

on 

ethane 

recovery 

is 

significantly 

less 

for

the  rich  gas  D  compared  to  the  lean  gas  A  over  the  range  215–

450  psia.  On  the  other  hand,  higher  ethane  recoveries  are  obtained

for 

the 

lean 

gas 

at 

low 

demethanizer 

pressure, 

whereas 

higher 

C2

recoveries  are  attained  for  feed  D  at  intermediate  and  higherpressures.

For  the  lean  gas  A,  the  GSP  with  cold  separator  was  found  to  be

the 

most 

viable 

process, 

reaping 

the 

benefits 

of  

the 

split-stream

configuration 

at 

low 

and 

intermediate 

pressures, 

and 

those 

of  

the

conventional  turboexpander  process  at  high  demethanizer  pres-

sures.  However,   the  CRR   process  remains  the  process  of   choice  for

the 

lean 

gas 

at 

low 

demethanizer 

pressure.

With 

the 

exception 

of  

low 

demethanizer 

pressure, 

the 

process

that  yields  the  highest  recovery  for  feed  D  is  the  GSP,   which

excludes  additional  cryogenic  compressor  and  heat  exchanger

from 

the 

CRR  

process.

4.  Conclusion

The 

cold 

residue 

recycle 

(CRR) 

process 

was 

simulated 

to

maximize 

ethane 

recovery 

at 

different 

demethanizer 

pressures.

The  optimized  design  variables  included  all  split  ratios,  the  outlet

temperatures  (higher  temperature  side)  from  the  heat  exchangers

(downstream 

of  

the 

chiller) 

and 

the 

cryogenic 

compressor 

outlet

pressure. 

The 

CRR  

process 

is 

the 

most 

viable 

option 

for 

low

demethanizer  pressure  with  ethane  recovery  of   99.9%  for  the  lean

gas  considered.  However,  adding  more   complexity  to  the  process

may 

lead 

to 

lower 

ethane 

recovery. 

This 

result 

concurs 

with 

the

finding 

in 

Chebbi 

et 

al. 

[10]. In 

particular 

(i) 

the 

only 

case 

where 

a

cryogenic  compressor  is  needed  is  for  feed  A  (lean  gas)  at  low

demethanizer  pressure  (100  psia).  In  all  other  cases,  the  CRR 

process 

reduces 

to 

GSP 

where 

the 

cryogenic 

compressor 

followed

by 

the 

heat 

exchanger 

and 

 JT 

valve 

following 

it 

are 

all 

not 

needed

Demethanizer pressure, psia

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

   C   2  r  e  c  o  v  e  r  y ,

   %

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Feed A (GSP at 100 and 215 psia)

Feed D

GSP with cold separator 

Demethanizer pressure, psia

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

   C   2  r  e  c  o  v  e  r  y ,

   %

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Feed A

Feed D

Conventional turboexpander (Chebbi et al., 2008)

Demethanizer pressure, psia

50 100 150 200 250 300  350 400 450 500

   C   2  r  e

  c  o  v  e  r  y ,

   %

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Feed A (CRR at 100 psia, GSP at higher P)

Feed D (GSP)

CRR/GSP

(a)

(b)

(c)

Fig.  8.  Effect  of   demethanizer  pressure  on  ethane  recovery  for  (a)  CRR/GSP,  (b)

conventional  turboexpander  process  [5]  and  (c)  GSP  with  cold  separator  for  feeds  A

and  D.

L.  Kherbeck,  R.  Chebbi   /   Journal  of   Industrial  and  Engineering   Chemistry   xxx  (2014)   xxx–xxx  5

G Model

JIEC-1925;  No.  of   Pages  6

Please  cite  this  article  in  press  as:  L.  Kherbeck,  R.  Chebbi,   J.  Ind.  Eng.  Chem.  (2014),  http://dx.doi.org/10.1016/j.jiec.2014.02.035

Page 6: kherbeck2014

7/23/2019 kherbeck2014

http://slidepdf.com/reader/full/kherbeck2014 6/6

for  higher  ethane  recovery.  On  the  other  hand  (ii)  adding  a  cold

separator 

to 

GSP, 

operating 

at 

lower 

temperature 

than 

the 

chiller

temperature  (in  addition  to  the  separator  operating  at  31 

8F),

yields  less  recovery  in  the  case  of   the  rich  feed  gas  D,  except  at

100  psia.  Also  (iii)  the  GSP  with  cold  separator  reduces  to  GSP  in  the

case 

of  

the 

lean 

feed 

gas 

at 

low 

and 

intermediate 

pressures,

making 

the 

cold 

separator 

unnecessary. 

Furthermore 

(iv) 

in 

case

GSP  with  cold  separator  provides  higher  recovery  (lean  gas  A  at

high  demethanizer  pressures),  only  one  splitter  is  required:  the

separator 

liquid 

outlet 

splitter, 

with 

the 

separator 

vapor 

outlet

splitter 

discarded.

For  feeds  containing  CO2,  care  should  be  taken  to  make  sure  CO2

frost  [1]  will  not  occur;  this  point  is  not  addressed  in  the  present

investigation 

since 

the 

two 

feeds 

considered 

are 

free 

from 

CO2. 

On

the 

other 

hand, 

the 

objective 

in 

this 

work 

is 

to 

maximize 

ethane

recovery;  therefore  costing  is  not  required.  Further  investigations

could  address  the  abovementioned  two  points.

References

[1] F.S.Manning,R.E. Thompson, OilfieldProcessing of Petroleum, firsted., PennWellPublishing Company, Tulsa, 1991.

[2]  R.L. McKee, Evolution in design, in:Proceedings of the56th Annual GPAConven-tion,  Dallas, 1977.

[3]  R.N.Pitman,H.M.Hudson, J.D.Wilkinson,K.T. Cuellar,Next generationprocessesforNGL/LPG recovery,in:Proceedingsofthe77th AnnualGPAConvention,Dallas, 1998.

[4]  GPSA, Engineering Data Book, Sec. 16, twelfth ed., Gas Processors SuppliersAssociation, 2004.

[5] R.Chebbi,K.A.Al Mazroui,N.M.Abdel Jabbar, Oil& GasJournal106(46)(2008)50.

[6] 

R. Chebbi, N.S. Al-Amoodi, N.M. Abdel Jabbar, G.A. Husseini, K.A. Al Mazroui,Chemical Engineering Research and Design 88 (2010) 779.

[7]  M.Mehrpooya, A. Vatani, S.M.A. Mousavian, Chemical EngineeringandProcessing49  (4) (2010) 376.

[8]   J.D.Wilkinson,H.M. Hudson, ImprovedNGL recoverydesignsmaximize operatingflexibility  and product recoveries, in: Proceedings of the 71st Annual GPA Con-vention,  Anaheim, 1992.

[9]   J.A. Bandoni, A.M. Eliceche, G.D.B. Mabe, E.A. Brignole, Computers & ChemicalEngineering 13 (1989) 587.

[10] R. Chebbi, A.S. Al-Qaydi, A.O. Al-Amery,N.S. Al-Zaabi, H.A. Al-Mansoori, Oil& Gas Journal  102 (4) (2004) 64.

L.  Kherbeck,  R.  Chebbi   /   Journal  of   Industrial  and  Engineering   Chemistry   xxx  (2014)   xxx–xxx6

G Model

JIEC-1925;   No.  of   Pages  6

Please  cite  this  article  in  press  as:  L.  Kherbeck,  R.  Chebbi,   J.  Ind.  Eng.  Chem.  (2014),  http://dx.doi.org/10.1016/j.jiec.2014.02.035