Licuefaccion de gases

1. Parámetro de comparación de dos procesosa pequeñaescalade la licuefacciónde gas natural
en empaquesSkid-Mounted.
Abstracto
Dos tipostípicosde procesoa escalareducidade lalicuefaccióndel gasnatural enpaquete skid-
mounted fuerondiseñadosysimulados.
Los parámetrosclave de losdos procesosfueroncomparados,ylacomparaciónde la calefaccióny
de las curvas de enfriamientoencambiadoresde calorfue tambiénanalizada.Losresultados
muestranque el ciclodel ampliador N2-CH4precede el ciclodel mezclado-refrigerante enla
premisade lafaltade pre refrigeracióndel propano.Lacarga grande de la diferenciade la
temperaturaydel intercambiode calorsonlasrazonesprimariasde la pérdidade exergíaen
cambiadoresde calor.El consumode energíade compresoresesinfluyenteal consumode energía
por unidadLNG,así que la compresiónconenfriamientointernodebe seradoptada.
1. Introducción
Las plantasde licuefaccióncriogénica se hanaplicadoenloscampos comercialesde la
licuefaccióndel gasnatural cuyascapacidadesde lalicuefacciónsonmuygrandes.Porejemplo,la
capacidadde lalíneade productosde la plantadel LNG de la carga baja eshasta 3,4 Mt/a, y el que
estáde laplantamáximadel LNG que afeita escerca de 0,9 Mt/a. Los licuadorescriogénicosestán
disponiblesenel comercioparalalicuefaccióndelgasnatural.
Estos licuadoressonnormalmente plantasporencargo,permanentesde lacapacidadgrande para
dar un máximode lautilidadde gasolinanatural y para envíotranscontinentalde lagasolina
natural.El mercadoendesarrollode losvehículosde lagasolinanatural proporciona una
oportunidadparael LNG-CNGque aprovisionade combustible aestaciones.Otrosmercadospara
licuadoresmása escalareducidadel LNGincluyenlospozosde gasolinaterrestres,lossitiosde
clientesque se sitúanremotamentede losgaseoductosactuales,ylasinstalacionesde los clientes
industriales.El desarrollocomercial continuode losvehículosdel LNGcrealaoportunidadde
desarrollarplantasde licuefacciónaescalareducidade lagasolinanatural.
Comparandocon laplantade licuefacciónmedianaoengrande,lascaracterísticasdominantesde
la a escalareducidasonel procesosimple,lainversiónbaja,la tallaminiaturayel usodel equipo
skid-mounted [1-5].
El diseño,lasimulaciónylavaloracióndel procesode lalicuefacciónde lagasolinanatural
comenzarona partirde 1970. Shell Corporationhasimulado el ciclolacascada,el mezclado-
refrigerante ydel ampliadordel N2,porotra parte analizabasusventajasydesventajas[6].
Melaaenpusoun modelodinámicoparael procesode la licuefacciónde lagasolinanatural de la
plantade carga, y llevadoconlasimulaciónpor DASSLen1995 [6].Terry usóel software de HYSYS
para calcular y para optimizarel procesotípicode lalicuefacciónde laplantaque se usaba en 1998
[7].Kikkawadiseñólosprocesosdel modeloaseguirdespuésdel ciclode lapre refrigeracióndel
refrigerante mezcladoyel ciclodel ampliador,yloscalculabaporel software de CHEMICAL-CAD

2. El trabajoprevionose refiere al procesoaescalareducidade lalicuefacciónde lagasolinanatural
enequiposskid-mounted.Peroseráútil al estudiopresentadoeneste papel.Casi todaclase de
procesode la licuefacciónse puedeadoptarenplantasaescalareducidadel LNG,así que no es
siempre fácil seleccionarel procesomásconveniente paraciertoproyecto.Unainvestigación
profundaenestosprocesosesnecesariaantesde que se tome cualquierdecisión.
2. Diseño
Dos procesossimilaresfuerondiseñadosparalacomparación.
2.1. Procesosde lalicuefacción.
En base de lascaracterísticas de la plantaa escalareducidadel LNG,dos sistemasdel proceso
típico de la licuefacciónfuerondiseñadoseneste papel parael análisisylacomparación.El
procesode la licuefaccióndel ciclo(MRC) del mezclado-refrigerantefue adoptadoenel proceso1
mostradoenla fig.1, que quitóel ciclocomún del propanoque prerefrigeraba,haciendomás
simple el proceso ymáscompacto.El MRC utilizaunacombinaciónde refrigerantesenunsolo
ciclode refrigeración,que permite suministrarlarefrigeraciónenlatemperaturacontinuamente
cambiante.
El procesode la licuefaccióndelciclodel ampliadorN2-CH4fue adoptadoenel proceso2
mostradoenfig.2. Proporcionalarefrigeraciónporlaextensiónde lacompresiónydel trabajode
la corriente de lagasolina.
2.2. Métodosde su propiedad.
Los métodosde lapropiedadsonlabase de lasimulación.Laecuaciónde PR yla ecuaciónde LKP
son lasclaves del fluidoempacado enlasimulación.
La ecuación de estadode Peng-Robinson aplicafuncionalidad aalgunosparámetrosespecíficosde
la interaccióndel componente-componente,que se puedenutilizarenel cálculodel equilibriode
fase [11]. Se escribe:

3. Donde p= presión,Rconstante de gas, T estemperatura,V esel volumenespecífico,ayb sonlas
constantesreferentealaespecie de lagasolina,x eslafracción mol de ciertocomponente,kes
coeficientebinariode lainteracción.Se reescribecomo:
Fig.1. Proceso1: procesode la licuefaccióndel ciclodelMezclado-refrigerante (MRC).
Fig.2. Proceso2: Procesode la licuefaccióndelciclodel ampliador N2-CH4.

4. Donde z esun factor constringente,A yB son loscoeficientesreferentesalosparámetrosdel
estadode la gasolina.
La ecuaciónde Lee-Kesler-Plockeresunmétodogeneral exactoparalassustanciasylas mezclas
no polares,que se puedenutilizarenel cálculode laentalpíay entropíade los componentes
mezclados[11]. Se escribe:
Donde “w” esun factor acéntrico,0 y r denotanlosparámetrosrelevantesde loslíquidossimples
y de la referencia.
2.3. Optimizaciónde parámetro
Antesde la simulación,losparámetrosrequeridos fueronespecificadosenlastablas 1-3 basadoen
el análisisdel efectode losparámetrosenlaactuaciónde proceso.Estas figurasfueronganadas
con la optimizaciónde lafunciónobjetivaenel consumode energíaespecífica[9,10].
Asumióque el flujode laalimentaciónde lagasolinanatural era4,0 k mol/h.
El cálculoy laoptimizaciónde simulaciónenlosprocesos1y 2 fueronhechosusandolaecuación
de las RRPPestadoy.
Ecuaciónde LKPa travésdel software de HYSYS.La ecuaciónde las RRPPo de LKPes lade los
paquetes fluidos másimportantesque eslabase de la simulaciónporHYSYS.Muchos factores
influencianlaactuaciónde ciertoproceso.Porejemplo,sonpresiónde altapresiónybaja.
Del mezclado-refrigerante,de latemperaturadel refrigerante antesde laextensión,yde la
fracciónde topo del nitrógeno,del metano,del etano,delpropano,del etc.Estos factoresse
describen
(tabla1)

5. como X = [x1, x2, x3,…, xN]^T.En este caso,el problemade laoptimizaciónestádescubriendolos
valoresde parámetroóptimosparahacer el consumode energíael más bajo.La funciónobjetiva
es:
minf(x)=W/F(LNG)
donde wes el podertotal de consumo de energíade compresores.De hecho,esnecesariotomar
enconsideracióntodoslosfactorestalescomocoste inicial,poderde consumo,zonade laplanta,
simplicidaddelproceso,etc. Peromuchosde estosfactoresnoson puros. En este papel,
solamente se tomael consumode energíaespecífica(consumode energíaporunidad del LNG)
como el objetivode laoptimización. Losapremiosestáncomoabajo: (A) lasumade lasfracciones
mol del mezclado-refrigerantees1.(b) la temperaturadel mezclado-refrigerante enlaentradadel
compresoresmás alta que supuntode condensación.(c) ladiferenciade latemperaturaentre las
zonascalientesyfrías de líquidonopuede sernegativa.
HYSYS contiene unoptimizadorde estadoestacionariomultivariable.Unavezque se ha construido
el organigramay se ha obtenidounasoluciónconvergida,el optimizadorpuede serusado para
encontrarlas condicionesde funcionamientoque minimizan(omaximiza) la funciónobjetivo.El
optimizadorposee supropiahojade cálculoparadefinirlafunciónobjetiva,asícomocualquier
expresióndelobstáculo que se utilizará.
HYSYS tiene cincomodosde optimizador: original,HyprotechSQP,MDCOptim, MDC DataRecony
optimizaciónde laselección.Cualquiermodode optimizadorse puede utilizareneste caso,pero
el modooriginal fue seleccionadoparasuoptimizacióncomúnenHYSYS. Las siguientes secciones
describenlosesquemasde laoptimizaciónparael optimizadororiginal:Disposiciónde lafunción,
métodode laCAJA, MétodoSQD, métodomezclado,métodode FletcherReevesy el método de
Cuasi-Newton,que sonlostiposde algoritmoincorporado.
3. Resultadosy análisisde la simulación.
La simulaciónyel cálculode losdosprocesosfueronhechos.
3.1. Resultadosde la simulación.
Los parámetrosdominantesde losdosprocesosde lalicuefacciónfueroncomparados,yla
comparaciónde losresultadosde laoptimizaciónse presentaentabla4.
Tabla 4.
Comparaciónde losresultadosde laoptimizaciónde losdosprocesosde lalicuefacción.

6. Del análisisde datosde latabla 4 antedicha,puede servistoque losparámetrosdominantesdel
ciclodel ampliadorN2-CH4derrotanlosque está del ciclorefrigerantemezcladoexceptotarifade
la licuefacción,graciasaestesúltimoque carecenel ciclo de prerefrigeracióndel propanopara
cumplirel requisitodellicuadorde lagasolinanatural enpaquete resbalón-montado.
El ciclodel mezclado-refrigerante conel propanoque prerefrigera(C3/MRC) eslomismoconla
plantaengrande del GASERO de.
la carga baja, perono cabe el a escalareducidaenpaquete resbalón-montado.Haypocasventajas
dejadaspara el cortocircuitodel funcionamientodel ciclodelmezclado-refrigerante del propano
que prerefrigera,compitiendoconel ciclodel ampliadorN2-CH4.Diferenciandode losC3/MRC
que son procesoybajo consumode energíacomplejos,el ciclodel ampliadorN2-CH4se sazona
con la plantamóvil del GASEROdel estilomedianooengrande,debidoasuoperaciónde proceso,
flexible compactayaplicabilidadextensa.Debe serconsideradointegraciónde lascaracterísticas
técnicassobre de ambospara desarrollarel nuevotipode procesode lalicuefacciónenel paquete
resbalón-montado,que abastecealamarea del desarrollodel procesode lalicuefacciónde la
gasolinanatural que persigue actualmentebreve yeficiente.
3.2. Distribuciónde la carga y de la temperatura del intercambiode calor.
La pérdidade energíaprincipal de unprocesode lalicuefacciónde lagasolinanatural existe en
compresoresycambiadoresde calor,pero.
descuidode lapérdidaenválvulasreguladoras.
La compresiónconintercoolingfue utilizadaeneste caso,paradisminuirel gradoirreversible yel
consumode energíadel procesode compresión.El poderreclamadodel ampliadorenel proceso2
fue utilizadoparaconducirel retropack,que redujoel consumode energíade compresores.En
este papel,el hacerjuegode lacalefacciónylascurvas de enfriamientoentre lagasolinade la
alimentaciónyel mezclado-refrigerante encambiadoresde calorerananalizados.Lacarga de la
diferenciade latemperaturaydel intercambiode calorentransferenciade calorcontribuye ala
pérdidadel exergy,asíque lacarga grande de ladiferenciade latemperaturaydel intercambiode
calor eslas razones primariasde lapérdidadel exergyencambiadoresde calor.Seguroel flujodel
calor no esel únicoafectadopor latemperaturacambiante,laentalpíayno ejerce presiónsobre
tambiéneslos.
El hacer juegode lacalefacciónyde las curvasde enfriamientoencambiadoresde calorenlos
procesos1 y 2 era analizado.Puede servistode losresultadosmostradosenlasfigs.as.3–6. Puede
serencontradode las figs.as.3-6que,la carga del intercambiode calorde las tuberíasenlos
cambiadoresde calorestásubiendojuntoconlatemperaturaascendente.

7. Fig.3. Variaciónde la carga del intercambiode calorenfunciónde latemperaturade lastuberías
enel cambiadorde calor1 del proceso1.
Fig.4. Variaciónde la carga del intercambiode calorenfunciónde latemperaturade lastuberías
enel cambiadorde calor2 del proceso1.
Generalmente,bajocondiciónde lamismatemperatura,lacargadel intercambiode calorde los
gaseoductosnaturales(14-15,15-16) esla más baja,esdespuéslacarga de las tuberías
refrigerantesde altapresión(proceso1:4-7;Procesa2:4-5, 8-9), yla carga de las tuberías
refrigerantesde bajapresión(proceso1:8-9,12-13; 2:10 de proceso – 13) es losmásaltos.Esto es
porque esolastuberíasrefrigerantesde bajapresiónse encargade capacidadesde enfriamientoa
losgaseoductosnaturalesya lastuberíasrefrigerantesde altapresión.Porotraparte,lacarga del

8. intercambiode calordel cambiador1 esmás que el del cambiador2. La apariciónde las
inflexionesenlas curvasindicael cambiode fase a monofásicoyvice versade bifásico.
La diferenciamásgrande de latemperaturaentre lastuberíasrefrigerantesde altapresiónyde
baja presiónenel cambiadorde calor1 y 2 del proceso1 escerca de 45 - C,en lacondiciónde
carecer lapre refrigeracióndel propano.Ladiferenciade latemperaturaentre lasmismasenel
cambiadorde calor 1 del proceso2 escomparativamente uniforme,que escercade 30 - C. Perola
diferenciade latemperaturaenel cambiadorde calor2 del proceso2 escerca de 35 - C. Causará
más pérdidadel exergíaencambiadoresde calorsi lacarga de la diferenciade latemperaturay
del intercambiode calornoeslimitada.
Es tan necesariotomaralgunasmedidasde consolidarlatransferenciade calor,tal comoaumento
de las zonasde transferenciade calory reducciónde ladiferenciade latemperatura,que puede
reducirla pérdidadel exergía encambiadoresde calor.Aunque ladiferenciade latemperatura
entre lagasolinanatural y lastuberíasrefrigerantesde bajapresiónseamuygrande,lapérdidadel
exergíade losgaseoductosnaturalesestodavíapequeñadebidoasucarga de pocas calorías del
intercambio.
Fig.5. Variaciónde la carga del intercambiode calorenfunciónde latemperaturade lastuberías
enel cambiadorde calor1 del proceso2.

9. Fig.6. Variaciónde la carga del intercambiode calorenfunciónde latemperaturade lastuberías
enel cambiadorde calor2 del proceso2.
4. Conclusiones
(1) se concluye que el ciclodel ampliadorN2-CH4precede el ciclo del mezclado refrigerante enla
premisadel propano carente de refrigeraciónparala comparacióndel parámetro.El papel del
propanopre refrigerado esmuyimportante parael ciclodel mezclado-refrigerante. Debeser
consideradoparael ahorro de la energíaen desarrollodel procesoaescalareducidade la
licuefaccióndel gasnatural enequiposSkid-Mounted.
(2) debe serprestadamásatencióna lasseccionesde las altastemperaturasdel cambiadorde
calor 1 enel diseño de cambiadorde calor,puestoque lacarga del intercambiode calordel
cambiador1 esmás que el del cambiador2. La pérdidadel exergíade losgaseoductosnaturaleses
pequeñadebidoasucarga de pocascalorías del intercambio.
(3) ladiferenciade latemperaturaylacarga del intercambiode calorentre lastuberíasen
cambiadoressongrandes. Sonlosfactoresclaves que causanla pérdidadel exergía,asíque las
medidasde consolidarlatransferenciade calorse debenejecutar.
(4) el consumode energíade compresoresesmás influyente al consumode energíaespecífica,así
que a la compresióncon enfriamientointerno debeseradoptadoparadisminuirel grado
irreversible de procesode compresión.El poderreclamado del ampliadorenel procesodosse usó
para conducirel retropackpara reducirel consumode energíadel compresor.