• refrigeration loop
• liquefied natural gas
• single mixed refrigerant
• optimization
• dynamic

Dopo aver svolto una ricerca bibliografica tale da offrire una descrizione introduttiva su cosa siano i cicli frigoriferi, quali siano i componenti principali e quali classificazioni possano essere applicate,l’attenzione si è focalizzata sui cicli frigoriferi impiegati nel settore Oil & Gas per la liquefazione del gas naturale, vantaggiosa per stoccaggio e trasporto. Dopo aver esposto i tre gruppi principali (i cicli in cascata, i cicli ad espansione di gas ed i cicli a miscela di refrigeranti), è stato preso in considerazione un ciclo frigorifero a singola miscela di refrigeranti, in cui il profilo termico di vaporizzazione del fluido refrigerante riesce a seguire bene quello di liquefazione del gas naturale, risultando in uno scambio termico più efficiente. Tramite simulatore di processi UniSim Design R440, è stato costruito il modello di un ciclo frigorifero a compressione di vapore, a singola miscela di refrigerante (detto ciclo Single Mixed Refrigerant, SMR) facendo delle ipotesi sui parametri di processo. I quattro componenti principali di un ciclo di questo tipo sono il compressore, il condensatore, la valvola di laminazione, e l’evaporatore, cioè la Cold Box, uno scambiatore multicorrente in cui il refrigerante vaporizza assorbendo calore latente dal gas naturale, ma anche dal refrigerante stesso, il quale il condensatore ha solo parzialmente liquefatto, e che prima di essere fatto espandere in valvola Joule-Thomson ed immesso nella Cold Box, viene completamente liquefatto e sottoraffreddato a spese del refrigerante a bassa pressione che vaporizza. E' stato considerato un sistema di compressione in due stadi, con intercooler, ed ipotizzato dei valori di riferimento ragionevoli per i due livelli di pressione, per le temperature in uscita da intercooler e condensatore, e per la composizione della miscela di refrigeranti. Tutto ciò avendo fissato delle condizioni iniziali per il gas naturale (portata, composizione, temperatura e pressione) e assunto che lo scopo del processo fosse liquefare completamente e sottoraffreddare tale corrente fino alla temperatura di -155°C. Aver fissato queste condizioni sul gas naturale, è servito per poter mettere a confronto diverse possibili configurazioni alternative del processo di liquefazione, valutando quale fosse tra queste la più efficiente a parità di prodotto ottenuto.
Individuata la configurazione richiedente la minore spesa di potenza elettrica necessaria al sistema di compressione, a parità di effetto refrigerante fornito (prodotto ottenuto), è stata eseguita un’analisi di sensitività per osservare come i parametri principali incidevano sull’efficienza del processo, ed identificare quali variazioni fosse opportuno apportare ai valori di riferimento assunti inizialmente, al fine di ottenere un ciclo di refrigerazione più efficiente. Tali considerazioni hanno poi trovato riscontro e conferma nell’attuazione di un processo di ottimizzazione, svolto tramite un ottimizzatore stazionario multivariabile, l’Honeywell SQP Optimizer, disponibile nel software UniSim Design.
Il modello stazionario ottimizzato ottenuto, è stato infine convertito in dinamico, apportando le opportune modifiche al sistema, cioè includendo controllori, valvole di regolazione, intercettazione e di non ritorno, sistemi anti-surge per i compressori, dimensionamento delle apparecchiature. Il modello così ottenuto ha permesso di osservare la risposta dinamica del processo ad alcuni eventi simulati quali la variazione della portata di gas naturale alimentata e la diminuzione di efficienza del condensatore.