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XXI Convención Internacional y X Exhibición Industrial del Gas -‐ AVPG 2015

Mayo, 2015

ANÁLISIS DE EXERGÍA EN PROCESOS DE LICUEFACCIÓN DE GAS NATURAL PARA POTENCIALES DESARROLLOS EN VENEZUELA

Ramiro Guerrero Navia*, Marco González De León PDV Caribe*, Universidad Simón Bolívar

PDV Caribe


q  Objetivo q  Introducción

q  Ciclos de refrigeración

q  Gas natural de alimentación y condiciones de proceso

q  Modelo termodinámico

q  Análisis de exergía

q  Proceso de licuefacción de gas natural evaluados

q  Análisis de resultados

q  Conclusiones

Contenido


En este trabajo se presenta una comparación, desde el punto de vista termodinámico, y empleando el criterio de exergía de los procesos de Mezcla Única de Refrigerante, Cascada Optimizada y Pre-‐enfriamiento con Propano y Mezcla de Refrigerante, tomando en consideración composiciones típicas del gas costa afuera y condiciones en Venezuela

Objetivo del Trabajo


La licuefacción del Gas Natural consiste en la remoción del calor latente y sensible, reduciendo su volumen 600:1

>3540Km

LICUEFACCIÓN TRANSPORTE ALMACENAMIENTO Y REGASIFICACIÓN

La viabilidad económica del GNL depende la relación distancia vs volumen de entrega, alguno autores refieren que es factible para distancias mayores a 3.540km.

Los procesos de mayor aplicación en la industria del GNL, usan refrigerantes en etapas de compresión y expansión para el enfriamiento y licuefacción del Gas Natural.

Introducción


El desempeño de un ciclo depende de la eficiencia termodinámica, la cual esta influenciada por los siguientes aspectos:

Limitaciones en compresores •  Centrífugos: alrededor de 75% •  Axiales: alrededor de 86%

Limitaciones mecánicas en impulsores: •  Incremento en eficiencia limitada

Limitaciones en Inter. de Calor: •  Acercamiento entre temperaturas •  Caída de presión

Limitaciones en Expansores o Válvulas JT •  Expansión Irreversible

Tipo de Refrigerante Composición/Flujo/Presión

Gas Líquido

Agua / Aire

Wint

Ciclos de refrigeración


El sistema de refrigeración puede ser cerrado o abierto, usar componentes puros o una mezcla de refrigerantes. Los procesos de licuefacción están basados en las propiedades fisicoquímicas del refrigerante

0%

20%

40%

60%

80%

100%

-180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60Temperatura (°C)

Enth

alpi

a Liquefacción

Pre-enfriamiento

Sub-enfriamiento

Curva compuesta de calentamiento y enfriamiento


El Gas Natural es enfriado, licuado y sub-‐enfriado usando componentes puros, en varias etapas. Requieren menor flujo que los ciclos de Mezcla de Refrigerante. El grado de libertad del sistema es igual a 1.

Tem

pera

tura

→

Entalpía →

Tem

pera

tura

→

Entalpía →

Ciclos con componentes puros como refrigerantes


Los componentes son especificados para que evaporen en un rango similar al Gas Natural. Permite un mayor acercamiento entre las curvas por modificación de la curva de calentamiento. El número de grados de libertad del sistema es igual al número de componentes en la mezcla.

Tem

pera

tura

→

Entalpía →

Tem

pera

tura

→

Entalpía →

Ciclos con mezclas como refrigerantes


Se seleccionó la ecuación de estado de Peng-‐Robinson (PR), para el desarrollo de los balances de masa y energía. Asimismo, las modificaciones de la función de cohesión (α) y correlación del factor acéntrico (m) realizadas por Stryjek–Vera, las cuales han demostrado ampliamente una mayor precisión para sistemas de este tipo.

-‐ Ecuación de Estado Peng-‐Robinson:

-‐ Correlación factor acéntrico:

-‐ Función de cohesión:

Modelo Termodinámico


Los cálculos para el análisis de exergía en este trabajo son desarrollados en dos etapas: determinación de la exergía para cada una de las corrientes de proceso y desarrollo del balance de exergía alrededor de cada uno de los equipos de proceso a fin de obtener la tasa de destrucción de exergía o irreversibilidades en cada uno de ellos. Para esto se emplearon las siguientes ecuaciones:

-‐ Compresor

-‐ Intercambiador de Calor

-‐ Enfriadores

-‐ Válvula de Expansión

-‐ Eficiencia Exergética Global del Proceso

Análisis de Exergía


-‐ Capacidad de 4,7 MMTPA (166,7 kg/s) -‐ Presión Alimentación: 40 bar -‐ Temperatura Alimentación: 25 ºC -‐ Eficiencia politrópica compresores: 80% -‐ Temperatura de enfriamiento: 25 ºC -‐ Gas previamente tratado y acondicionado

Componente Fracción Molar N2 0,2688 CO2 0,1438 CH4 99,4480 C2H6 0,0759 C3H8 0,0428 iC4H10 0,0050 nC4H10 0,0020 iC5H12 0,0013 nC5H12 0,0015 C6H14 0,0030 C7H16 0,0020 C8H18 0,0020 C9H20 0,0018 C10H22 0,0018

Gas natural alimentación y condiciones de proceso


Este tipo de proceso tiene mayor aplicación en plantas de baja capacidad tipo “peak-‐shaving”, sin embargo, ha sido empleado comercialmente para capacidades mayores.

Variable Componente

Presión baja (bar) 3,70

Presión alta (bar) 40,00

Flujo Refrigerante (kg mol/s) 27,26

Composición Mezcla Refrigerante

Componente (%molar)

C1 0,3556

C2 0,2784

C3 0,0823

nC4 0,1866

N2 0,3556

Proceso mezcla única de refrigerante (MUR)


En este tipo de procesos existen dos ciclos principales de refrigeración, el ciclo de pre-‐enfriamiento que usa un componente puro (propano), y el ciclo de licuefacción y sub-‐enfriamiento, el cual usa una mezcla de refrigerante.

Gas Natural

Compresor de Propano

Compresor de Mezcla

Separador

GNL

GLP

Ciclo de Mezcla de Refrigerante

Ciclo de Propano

Variable Componente C3 Mezcla

Presión Baja (bar) 1,3 3,7 Presión intermedia 1 (bar) 2,94 -‐ Presión intermedia 2 (bar) 6,64 -‐ Presión alta (bar) 15,0 14,8 Flujo refrigerante (kg mol/s) 26,50 13,54 Mezcla Refrigerante Componente (%molar) Componente (%molar) C1 0,4003 nC4 0,0196 C2 0,3773 N2 0,0693 C3 0,1334

Proceso pre-‐enfriamiento con propano y mezcla (C3MR)


El Ciclo de Cascada, usa tres componentes puros: propano, etileno (o etano) y finalmente metano en tres etapas discretas.

Gas Natural

Compresor de Propano

Compresor de Etano

Compresor de Metano

GNL

Variable Ciclo de Enfriamiento

C1 C2 C3

Presión baja (bar) 1,4 1,4 1,4

Presión alta (bar) 7,0 19,0 45,0

Presión intermedia 1 (bar) -‐ -‐ 4,45

Presión intermedia 2 (bar) -‐ 5,16 14,15

Flujo refrigerante (kg mol/s) 6,32 11,44 10,39

Proceso de cascada optimizada


Variable MUR C3MR Cascada Requerimiento Energético (MW) 226,58 197,91 215,28 Consumo Especifico (KWh/kgmol GNL) 6,08 5,31 5,78 Consumo Especifico (KWh/kg GNL) 0,38 0,33 0,36 Relación Requerimiento Teórico / Simulación 1,79 1,56 1,70

El mínimo trabajo reversible para la composición de gas dada es 3,39 kWh/kgmol de GNL. En este estudio para el proceso C3MR se obtienen valores de hasta 1,56 veces del requerimiento mínimo reversible. Los requerimientos energéticos obtenidos para MUR y Cascada Optimizada están dentro de los valores reales reportados por otros autores, entre 0,3 a 0,4 kWh / kgGNL.

Análisis de resultados


C3MR (Ciclo Mezcla)

El acercamiento entre las curvas compuestas genera un gradiente de temperatura más bajo en el intercambiador de calor, lo cual reduce la producción de entropía resultando un proceso termodinámicamente más eficiente.

MUR Cascada Optimizada (Ciclo C1)



72%

9%19%

1 2 3

56,1%25,4%

18,6%

Intercambiadores Compresor Enfriadores

23,56%

61,98%

14,46%

1 2 3

El proceso de cascada genera mayor pérdida de exergía en los procesos de transferencias de calor. Sin embargo, requiere un flujo más bajo de refrigerante lo cual reduce el requerimiento energético en el proceso de compresión y por tanto las pérdidas de exergía. Para el caso del proceso C3MR las mayores pérdidas vienen dadas en las etapas de compresión del gas refrigerante.

MUR C3MR CASCADA

4,6%

51,7%

43,7%

Intercambiadores Compresor Enfriadores


226,58 MW 197,91 MW 215,28 MW


El proceso C3MR para las condiciones ambientales y composición del gas natural consideradas posee una eficiencia exergética 8,5% mayor al proceso de Cascada y 14,3% mayor al proceso MUR. Los procesos que emplean mezclas de refrigerantes poseen menores pérdidas de exergía asociadas a la transferencia de calor debido al acercamiento entre las curvas de calentamiento y enfriamiento en los intercambiadores de calor principales. Mientras que los procesos que emplean componentes puros reducen la perdidas exergéticas en la sección de compresión. Bajo las premisas de este estudio, el proceso de pre-‐enfriamiento con propano y licuefacción con mezcla de refrigerante, representa la alternativa más eficiente desde el punto vista termodinámico para condiciones y composiciones similares al gas provenientes de los desarrollos en Venezuela.

Conclusiones


!Gracias por su atención¡

ANÁLISIS DE EXERGÍA EN PROCESOS DE LICUEFACCIÓN DE GAS NATURAL PARA POTENCIALES

DESARROLLOS EN VENEZUELA

Ramiro Guerrero Navia PDV Caribe

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