UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR

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1 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA QUÍMICA EVALUACIÓN Y SELECCIÓN DE LA ETAPA DE PRE-ENFRIAMIENTO EN CICLOS DE LICUEFACCIÓN DE GAS NATURAL Por: Mohamad Majzoub Dahouk PROYECTO DE GRADO Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Químico Sartenejas, Diciembre de 2012

2 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA QUÍMICA EVALUACIÓN Y SELECCIÓN DE LA ETAPA DE PRE-ENFRIAMIENTO EN CICLOS DE LICUEFACCIÓN DE GAS NATURAL Por: Mohamad Majzoub Dahouk Realizado con la asesoría de: Prof. Sabrina Di Scipio Prof. Carlos Dorao (NTNU Noruega) PROYECTO DE GRADO Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Químico Sartenejas, Diciembre de 2012

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4 RESUMEN La demanda energética mundial presenta un constante crecimiento y se espera que el gas natural, especialmente el gas natural licuado (GNL) adquiera un rol cada vez más protagónico en este campo. Más del 95% de las instalaciones de GNL usan un ciclo de pre-enfriamiento como primera etapa en el proceso de licuefacción. En este trabajo se hizo un estudio técnico comparando las posibles configuraciones de la etapa de pre-enfriamiento en procesos de licuefacción de gas natural. Para ello se realizaron simulaciones computarizadas con el programa comercial Aspen HYSYS. Los circuitos de pre-enfriamiento fueron tratados como ciclos de refrigeración independientes para posteriormente ser implementados en un proceso de licuefacción completo; se seleccionaron dos procesos patentados, el proceso de mezcla de refrigerantes pre-enfriado por propano (C3MR) y la cascada triple de mezcla de refrigerantes (MFC ). Los parámetros estudiados fueron la potencia del compresor, producto UA de los intercambiadores de calor, flujo volumétrico y cociente de presiones en el compresor. Para cada estudio se consideraron dos condiciones climáticas distintas, una a 25 C (caliente) y otra a 6 C (frío). El circuito de propano a tres etapas fue el que reportó una eficiencia energética mayor para ambas condiciones climáticas. Se generó un cuadro de selección incluyendo, además de la eficiencia energética, el resto de los parámetros mencionados arriba. En función de este cuadro, en la condición de clima caliente la alternativa recomendada es el circuito de propano a tres etapas pues arrojó mejores resultados para todos los parámetros excepto el flujo volumétrico del compresor; mientras que para el caso frío un ciclo a dos etapas con mezcla de refrigerantes que enfría el gas natural hasta aproximadamente -50 C es la alternativa más favorecida, ya que para bajas temperaturas el circuito de pre-enfriamiento por propano tiene una contribución energética baja (limitada por la mínima temperatura de saturación del propano) y le da al resto del ciclo flujos volumétricos y valores de UA mayores. Palabras clave: gas natural licuado, pre-enfriamiento, propano, mezcla de refrigerantes, eficiencia iv

5 AGRADECIMIENTOS Antes que nada debo agradecer a Allah, Todopoderoso, Clemente y Misericordioso por darme la salud para poder estar hoy en día aquí, poniéndole punto final a mis estudios de pregrado en Ingeniería Química. Un agradecimiento muy especial va dirigido a la Prof. Sabrina Di Scipio, por brindarme la inspiración, la atención y la ayuda necesaria para el desarrollo de este trabajo. Por aportar a mi desarrollo como estudiante, como ciudadano e indudablemente, como futuro profesional de la República. Agradezco a la Universidad Simón Bolívar por demostrarme que, realmente, es la universidad de la excelencia. A la Dirección de Relaciones Internacionales por su destacable labor y por brindarme la oportunidad de formar parte de los convenios de intercambio académico. Me siento debidamente agradecido con el Prof. Carlos Dorao y el futuro doctor Luis Castillo, de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología por sus significantes aportes durante la tutoría del proyecto en Noruega. Agradezco de igual manera, a los jurados, Prof. Marco González y Prof. Rafael Álvarez por la disposición, el interés y las fructíferas correcciones sugeridas para este trabajo. Gracias a todos aquellos amigos que implícita o explícitamente hicieron de estos cinco años algo verdaderamente placentero: Freddy, LuisDa, Yorman, Juan, Guerrero, Paiva, Kathy, Andre, Eli, Dorita, Marianita, Kevin, Amaia, Charlie, José, Jose, Gianfis, Sergio, Fabs, Andreína, Leo, Gaby, Vieira y todos aquellos que no necesariamente recuerdo a la hora de redactar este párrafo pero que saben que formaron parte de estos fabulosos años. Finalmente, el agradecimiento que jamás podré terminar de dar. No existen palabras suficientes para expresar cuán agradecido estoy con mis padres, Riad y Majeda, por haber permanecido a mi lado durante estos cinco años, brindándome su apoyo y su comprensión en cada momento. Este trabajo y el título al cual aspiro mediante el mismo son el fruto de todo lo que ellos me han enseñado y me han dado. Nada de esto hubiera sido posible sin la inspiración que ellos significan para mí, sin sus bendiciones, y las de Dios. Agradezco profundamente a mis hermanos Nesrin, Khalil y Jala (con el pequeño Mohamad) que formaron parte de cada una de las noches de redacción, dándole el toque de alegría y diversión necesario, al igual que lo han hecho durante toda mi vida. v

6 ÍNDICE GENERAL RESUMEN... iv AGRADECIMIENTOS... v ÍNDICE GENERAL... vi ÍNDICE DE TABLAS... viii ÍNDICE DE FIGURAS... x LISTA DE SÍMBOLOS... xvi LISTA DE ABREVIATURAS... xviii INTRODUCCIÓN MARCO TEÓRICO Gas Natural Licuado Cadena de Valor del GNL Termodinámica de los Procesos de Refrigeración Refrigerantes y Arreglo de los Ciclos Procesos de Licuefacción de Gas Natural Proceso C3MR Cascada Triple de Mezcla de Refrigerantes, MFC Equipos de Proceso para GNL Intercambiadores de Calor Compresores Motor o impulsor del compresor Medio de Enfriamiento METODOLOGÍA Ciclos de Pre-enfriamiento Independientes vi

7 2.2. Configuraciones de Pre-enfriamiento para el proceso C3MR Pre-enfriamiento hasta 223 K Configuraciones de Pre-enfriamiento par el proceso MFC RESULTADOS Y DISCUSIONES Ciclos de Pre-enfriamiento independientes Ciclo de refrigeración simple Ciclo de refrigeración simple, compresión a dos etapas Ciclo de refrigeración a dos etapas Ciclo de refrigeración a tres etapas usando propano Configuraciones de pre-enfriamiento para el proceso C3MR Pre-enfriamiento hasta 223 K Configuraciones de pre-enfriamiento para el proceso MFC Cuadro de selección de la etapa de pre-enfriamiento Comparación de trabajo específico de licuefacción CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES REFERENCIAS APÉNDICE A APÉNDICE B APÉNDICE C vii

8 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1.1. Trenes de licuefacción instalados por proceso, Tabla 1.2. Diferencias entre los tipos de intercambiador multicorriente [30] Tabla 1.3. Especificaciones técnicas de compresores para GNL [35] Tabla 1.4. Especificaciones de turbinas de gas [35] Tabla 1.5. Diferencias entre medios de enfriamiento [37] Tabla 2.1. Composición del gas natural, ciclo de pre-enfriamiento Tabla 2.2. Parámetros de la simulación, ciclo de pre-enfriamiento Tabla 2.3. Principales parámetros de la simulación, proceso C3MR Tabla 2.4. Composición de la mezcla de refrigerantes del C3MR, ciclo de licuefacción/sub-enfriamiento Tabla 2.5. Parámetros del ciclo de licuefacción/sub-enfriamiento Tabla 2.6. Composición de gas natural, Venkatarathnam y este trabajo Tabla 2.7. Composición refrigerante de licuefacción y sub-enfriamiento, MFC Tabla 2.8. Parámetros de ciclos de licuefacción y sub-enfriamiento, MFC Tabla 2.9. Composición del gas natural, proceso MFC Tabla Condiciones de entrada del gas natural, proceso MFC Tabla Composición del refrigerante de licuefacción, C3-MFC Tabla Parámetros del ciclo de licuefacción, C3-MFC Tabla 3.1. Comparación de carga térmica, caso clima caliente y frio viii

9 Tabla 3.2. Resumen del ciclo de refrigeración simple, clima caliente Tabla 3.3. Resumen del ciclo de refrigeración simple, clima frío Tabla 3.4. Resumen ciclo simple con compresión multietapas, caso caliente Tabla 3.5. Resumen ciclo simple con compresión multietapas, caso frío Tabla 3.6. Resumen del ciclo a dos etapas, clima caliente. Tintermedia= -3.8 C Tabla 3.7. Resumen del ciclo a dos etapas, clima frío. Tintermedia= -10 C Tabla 3.8. Condiciones de modificaciones en el pre-enfriamiento de C3MR, caliente 73 Tabla 3.9. Resumen de resultados C3MR con modificaciones, caso caliente Tabla Conteo de equipos principales de proceso, C3MR con modificaciones Tabla Condiciones de modificaciones en el pre-enfriamiento de C3MR, frío Tabla Resumen de resultados C3MR con modificaciones, caso frío Tabla Resumen de ciclo a dos etapas hasta 223 K, caso caliente, Tint=263 K. 85 Tabla Resumen de ciclo a dos etapas hasta 223 K, caso frío, Tint=253 K Tabla Resumen de ciclo a dos etapas hasta 223 K, caso caliente, Tint=258 K. 86 Tabla Parámetros de pre-enfriamiento para modificaciones de MFC Tabla Cuadro de selección de la etapa de pre-enfriamiento en ciclos de GNL. 94 Tabla Comparación de trabajo específico de licuefacción, kwh/ kg GNL ix

10 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1. Composición típica del gas natural [11]... 4 Figura 1.2. Histórico mundial de consumo energético (en tonelada equivalente de petróleo) [2]... 5 Figura 1.3. Costo de transportación del gas natural [14]... 7 Figura 1.4. Cadena de valor del GNL [13]... 8 Figura 1.5. Ciclo de refrigeración de Carnot Figura 1.6. Balance energético de un ciclo representado en diagrama T-s Figura 1.7. Irreversibilidades del ciclo real, transferencia de calor Figura 1.8. Diagrama T-s, ciclo de refrigeración por compresión real Figura 1.9. Efecto de la compresión en múltiples etapas Figura Presión de saturación como función de temperatura Figura Diagrama T-s de metano, licuefacción de gas natural Figura Trabajo de un ciclo de refrigeración por compresión para amplios rangos de temperatura Figura Diagrama T-s de refrigeración multinivel Figura Cambio de fase para compuestos puros y mezcla, comparación Figura Diagrama T-s de refrigeración con mezcla de refrigerantes Figura Arreglo del intercambiador de calor para mezcla de refrigerantes Figura Crecimiento de capacidad del tren de licuefacción [22] x

11 Figura Clasificación de los procesos de licuefacción de gas natural Figura Diagrama de flujo del proceso C3MR Figura Diagrama de flujo del proceso MFC Figura Comparación entre PFHE y SWHE [30] Figura Diagrama de intercambiador tipo kettle Figura Ilustración de mapa de compresor Figura 2.1. Ciclo de refrigeración simple para componente puro Figura 2.2. Ciclo de refrigeración para mezcla de refrigerantes Figura 2.3. Ciclo de refrigeración simple con compresión a dos etapas Figura 2.4. Ciclo de refrigeración a dos etapas Figura 2.5. Ciclo de refrigeración en tres etapas usando propano Figura 2.6. Intercambiadores tipo kettle implementados en HYSYS Figura 2.7. Temperatura mínima a ser alcanzada en el pre-enfriamiento en función de la composición Figura 2.8. Diferencia en temperaturas de pre-enfriamiento, mezcla y propano Figura 3.1. Potencia del compresor con variación de la composición del refrigerante para ciclo simple Figura 3.2. Coeficiente de rendimiento con variación de la composición del refrigerante en ciclo simple Figura 3.3. Producto UA del intercambiador de calor con variación de la composición del refrigerante en ciclo simple xi

12 Figura 3.4. Temperatura en el intercambiador de calor, mezcla 0,3 C2/0,7 C Figura 3.5. Comparación de la potencia del compresor con el valor de UA, ciclo simple en clima caliente Figura 3.6. Flujo volumétrico en la succión del compresor, ciclo simple Figura 3.7. Cociente de presiones en el compresor, ciclo simple Figura 3.8. Potencia del compresor, ciclo simple con compresión multietapas Figura 3.9. Cociente de presiones, ciclo simple con compresión multietapas Figura Potencia del compresor del ciclo a dos etapas, caso caliente Figura UA de intercambiadores del ciclo a dos etapas, caso caliente Figura Cociente de presiones ciclo a dos etapas, clima caliente Figura Flujo volumétrico de compresores ciclo a dos etapas, clima caliente. Figura izquierda: Compresor etapa 1 Figura derecha: Compresor etapa Figura Trabajo del compresor de clima caliente y frío, ciclo a dos etapas Figura UA intercambiadores de clima caliente y frio, ciclo a dos etapas Figura Temperaturas del intercambiador de calor primera etapa, mezcla 0,4 C2 Figura izquierda: clima caliente Figura derecha: clima frío Figura 3.17.Temperaturas del intercambiador de calor segunda etapa, mezcla 0,4 C2 Figura izquierda: clima caliente Figura derecha: clima frío Figura Cociente de presiones de clima caliente y frío, ciclo a dos etapas Figura Flujo volumétrico del compresor en clima caliente y frío, ciclo a dos etapas Figura Potencia del compresor en ciclo a tres etapas, caso caliente xii

13 Figura UA del intercambiador de calor en ciclo a tres etapas, caso caliente Figura Flujo volumétrico del compresor de primera etapa, ciclo a tres etapas, caso caliente Figura Flujo volumétrico del compresor, ciclo a tres etapas, caso caliente Figura izquierda: Segunda etapa Figura derecha: Tercera etapa Figura Potencia compresores de C3MR con modificaciones, caso caliente Figura Distribución de potencia proceso C3MR c/modificaciones, caso caliente Figura UA intercambiadores de calor, C3MR con modificaciones, caso caliente Figura Flujo volumétrico de compresor, C3MR con modificaciones, caso caliente Figura Potencia compresores de C3MR con modificaciones, caso frío Figura Variación de la potencia requerida por los compresores Figura Distribución de potencia en proceso C3MR con modificaciones, caso frío Figura UA intercambiadores de calor, C3MR con modificaciones, caso frío Figura Flujo volumétrico de compresor, C3MR con modificaciones, caso frío Figura Comparación de coeficiente de rendimiento, ciclo a dos etapas diferentes rangos de temperatura Figura Potencia compresores de MFC con modificaciones, caso caliente Figura UA intercambiadores de calor de MFC con modificaciones, caso caliente xiii

14 Figura Flujo volumétrico compresor de MFC con modificaciones, caso caliente Figura Potencia compresores de MFC con modificaciones, caso frío Figura UA intercambiadores de calor de MFC con modificaciones, caso frío Figura Flujo volumétrico compresor de MFC con modificaciones, caso frío Figura Diagrama de flujos para proceso de bajo trabajo especifico, MFC-C Figura A.1. Ciclo de refrigeración simple para refrigerante puro Figura A.2. Ciclo de refrigeración simple para mezcla de refrigerantes Figura A.3. Ciclo de refrigeración a dos etapas Figura A.4. Ciclo de refrigeración a tres etapas usando propano Figura A.5. Circuito de licuefacción del proceso C3MR Figura A.6. Circuito de pre-enfriamiento de propano a tres etapas para C3MR Figura A.7. Circuito simple de refrigeración en pre-enfrimaiento para C3MR Figura A.8. Circuito de refrigeración a dos etapas en pre-enfriamiento para C3MR Figura A.9. Proceso MFC convencional Figura A.10. Proceso MFC con pre-enfriamiento de propano a tres etapas Figura C.1. Potencia del compresor en ciclo a tres etapas, caso frío Figura C.2. UA del intercambiador de calor en ciclo a tres etapas, caso frío Figura C.3. Flujo volumétrico del compresor de primera etapa, ciclo a tres etapas, caso frío xiv

15 Figura C.4. Flujo volumétrico del compresor, ciclo a tres etapas, caso caliente Figura izquierda: Segunda etapa Figura derecha: Tercera etapa xv

16 LISTA DE SÍMBOLOS Latinos A Área de intercambio de calor [m 2 ] C1 C2 C3 Metano Etano Propano C5 Pentano COP Coeficiente de rendimiento [-] COPCarnot Coeficiente de rendimiento del ciclo de Carnot [-] Cp Capacidad calorífica a presión constante [J/mol.K] Cv Capacidad calorífica a volumen constante [J/mol.K] g Aceleración de gravedad [m/s 2 ] Hp Cabezal politrópico de compresión [m] i-c4 i-butano k Cociente de capacidades caloríficas [-] M Peso molecular [g/mol] n Cociente de capacidades caloríficas [-] n-c4 n-butano P Presión [bar] Q Calor [J] Qc Calor transferido en condensador [J] Qo Calor transferido en evaporador [J] R Constante Universal de los gases [-] S Entropía [J/K] T Temperatura (absoluta) [K] TC TH Temperatura lado frío (absoluta) [K] Temperatura lado caliente (absoluta) [K] U Coeficiente global de transferencia de calor [J/m 2 K] W Trabajo [J] Z Factor de compresibilidad [-] Griegos ΔP ΔTx ΔTML Diferencia de presiones [bar] Diferencia de temperaturas entre fluidos en posicion x [K] Diferencia de temperaturas media logaritmica [K] xvi

17 ηc Eficiencia isentrópica de compresión [-] ΔTmin Mínima diferencia de temperaturas en intercambiador de calor [K] xvii

18 LISTA DE ABREVIATURAS APCI DMR FLNG GNL MFC PFHE PRICO C3MR RPM SMR SWHE Air Products and Chemicals Inc. Dual Mixed Refrigerant process Proceso de doble mezcla de refrigerante Floating Liquified Natural Gas facilities Plataforma marina de licuefacción de gas natural Gas Natural Licuado Mixed Fluid Cascade Cascada triple de mezcla de refrigerantes Plate Fin Heat Exchanger Intercambiador de calor de placa y aleta Poly Refrigerant Integrated Cycle Operation Operación ciclica integral con refrigerante multiple Propane precooled mixed refrigerant process Proceso de mezcla de refrigerantes pre-enfriado por propano Revoluciones por minuto Simple Mixed Refrigerant process Ciclo simple de refrigeracion con mezcla de refrigerantes Spiral Wound Heat Exchanger xviii

19 INTRODUCCIÓN Desde los inicios de la humanidad y con el nacimiento de cada individuo, la necesidad de obtener energía para llevar a cabo procesos vitales ha sido fundamental. A medida que las civilizaciones se han desarrollado, el rol de la energía en la vida cotidiana ha crecido significantemente; hoy en día se requiere energía para suministrar iluminación, electricidad, transporte y otros servicios de la vida diaria que se han vuelto indispensables. Impulsada por el crecimiento poblacional de la tierra, la demanda mundial de energía está aumentando rápidamente y en los años venideros se espera que ésta se amplíe con mayor rapidez, especialmente debido al desarrollo de países altamente poblados como China e India [1]. Para el año 2010 más del 85% del consumo energético mundial era proporcionado por combustibles fósiles, de los cuales el gas natural por si solo representa el 24% [2]. El gas natural hace combustión con mayor limpieza que otros combustibles fósiles, básicamente debido a que genera menos emisiones de azufre y carbono que, por ejemplo, el carbón o el petróleo; ésta es una de las razones por las cuales se espera que el consumo de gas natural siga creciendo en el futuro [3]. Generalmente, el gas natural es transportado desde los pozos de explotación hasta plantas de procesamiento y de allí al consumidor final en gasoductos. Sin embargo, en ubicaciones remotas o cuando la distancia entre el mercado y la fuente es lo suficientemente larga, la licuefacción del gas natural para su transporte ha sido ampliamente empleada como solución práctica en la industria energética. Para el año 2011 más del 30% de la comercialización del gas natural se realiza por GNL [4] y para realizar esta tarea son necesarios complejos procesos de licuefacción. El diseño de dichos procesos de licuefacción implica la selección de diversos equipos (intercambiadores de calor, compresores, entre otros) y la definición de diferentes parámetros de proceso (tipo de refrigerante, niveles de presión, diferencias de temperatura, entre otros). Únicamente el proceso de licuefacción representa entre el 40 y el 57% de la inversión total en la cadena de valor del GNL,

20 2 en donde los costos más elevados se deben a los compresores y los intercambiadores de calor del proceso [5, 6]. Es debido a esto que para cualquier nuevo proyecto de gas natural licuado la selección de la tecnología de licuefacción apropiada y los equipos asociados es de alta influencia en la reducción de costos y el aumento de la factibilidad del negocio. Con base en esto, en la última década varios trabajos se han enfocado en el diseño y la optimización de procesos de licuefacción de gas natural. La mayoría de los diseños desarrollados incluyen una primera etapa conocida como etapa de preenfriamiento donde el gas natural es enfriado a una temperatura que, dependiendo del refrigerante empleado, varía desde -30 hasta -50 C. Una de las diferencias más importantes entre las etapas de pre-enfriamiento es precisamente el uso de componentes puros o en mezcla como fluido refrigerante. Para el año 2008 más del 85% de los trenes de licuefacción instalados usan refrigerantes de componente puro en la etapa de pre-enfriamiento [7]. Sin embargo, procesos desarrollados recientemente como el DMR de Shell y el MFC de Linde/Statoil usan una mezcla de componentes como refrigerante. Las ventajas de usar una mezcla o un componente puro en el pre-enfriamiento no están claramente definidas en la literatura. En trabajos previos que tratan la evaluación y selección de procesos de licuefacción, se comparan los procesos instalados únicamente por eficiencia térmica sin tomar en cuenta las condiciones de la comparación (temperatura ambiente, carga total de gas natural, eficiencia de compresores, composición del gas natural, entre otros), entre dichos trabajos se tienen los de Finn (2009), Shukri (2004) y Ransbarger (2007) [8-10]. Estas condiciones de diseño no son las mismas de un proyecto a otro, y afectan la validez de las comparaciones que se puedan hacer entre los resultados publicados de cada uno de los trabajos en esta área. La selección de la tecnología de licuefacción para un nuevo proyecto depende de diferentes criterios; por ejemplo, puede estar influenciada por factores económicos, ambientales, técnicos o de licenciamiento. Debido a que generalmente la información necesaria para evaluaciones económicas (costos de equipos, cargos de licencia, entre

21 3 otros) es tratada como confidencial, el alcance del presente trabajo está limitado a una evaluación técnica. El objetivo del presente trabajo es estudiar a través de simulaciones computarizadas distintas configuraciones de pre-enfriamiento del gas natural para determinar las principales diferencias técnicas entre ellas y generar un criterio técnico de selección. Una comparación confiable entre las posibles configuraciones de preenfriamiento ofrece a futuros desarrollos en la industria del GNL la posibilidad de seleccionar con mayor facilidad la etapa de pre-enfriamiento más adecuada a las necesidades del proyecto, además que representa una contribución importante al conocimiento actual sobre los procesos de licuefacción pues este asunto no ha sido tratado en la literatura previamente. Para cumplir con el objetivo mencionado, se deben desarrollar los siguientes objetivos específicos: Establecer la diferencia entre las posibles configuraciones de preenfriamiento en ciclos independientes de refrigeración. Evaluar el efecto de modificaciones en la etapa de pre-enfriamiento en el resto del proceso para tecnologías de licuefacción patentadas. Definir un criterio de selección de la etapa de pre-enfriamiento en función de los parámetros estudiados en las simulaciones de ciclos independientes y procesos de licuefacción. El trabajo se encuentra estructurado de manera que se presenta primeramente un marco teórico donde se introduce al lector en el tema tratado; se da una introducción al gas natural, los procesos de licuefacción y definiciones termodinámicas necesarias. En el Capítulo 2 se exponen los casos de estudio planteados para cumplir el objetivo del trabajo, los principales parámetros relevantes para la reproducción de las simulaciones son presentados en dicho capítulo. Finalmente se tienen los resultados con el análisis de su significado para el propósito de este trabajo y las conclusiones atadas a éstos.

22 CAPÍTULO 1 1. MARCO TEÓRICO Mientras el petróleo es un líquido y el carbón es un sólido, el gas natural es un combustible fósil gaseoso que se forma naturalmente en las rocas porosas de la corteza terrestre, bien sea de manera independiente (gas no asociado) o en presencia de acumulaciones de petróleo (gas asociado). Es una mezcla de hidrocarburos inodora e incolora cuyo poder calorífico (cantidad de energía producida por la combustión de una cantidad dada de combustible) se encuentra entre 30 y 45 MJ (Mega Joule) por sm 3 (metro cúbico estándar) [11]. Con base en el tipo de gas (asociado o no asociado) y la ubicación geográfica del reservorio, la composición del gas natural en bruto puede cambiar significativamente. El componente primario es metano (CH4), sin embargo compuesto tales como etano (C2H6), propano (C3H8), butano (C4H10) e hidrocarburos más pesados (C5+) están normalmente presentes; compuestos inorgánicos tales como dióxido de carbono (CO2), acido sulfhídrico (H2S) y nitrógeno (N2) también podrían encontrarse en el gas, tal como se muestra en la Figura 1.1. Metano 85,0% Otros 15,0% Pentano y pesados 1,00% Butano 1,50% Propano 2,00% Etano 5,00% Dióxido de Carbono 4,50% Nitrógeno 0,50% Acido Sulfhídrico 0,50% Figura 1.1. Composición típica del gas natural [11]

23 5 El gas natural juega un papel fundamental en la industria energética mundial, esto se aprecia con facilidad en la Figura 1.2. El consumo global de gas natural ha presentado un aumento acoplado con el aumento en la demanda energética mundial, llegando a alcanzar para el año 2010 un valor de participación en el mercado energético mundial de aproximadamente 24%, lo cual representa el valor más alto registrado históricamente para el gas natural. Se estima que en los años venideros el gas natural seguirá aumentando su contribución en el sector energético mundial especialmente debido a nuevos desarrollos en generación eléctrica y a la reciente explotación del gas de esquisto [12]. Figura 1.2. Histórico mundial de consumo energético (en tonelada equivalente de petróleo) [2] La generación de energía eléctrica es una de las aplicaciones del gas natural que presentan mayor crecimiento recientemente; este combustible se ha convertido en una alternativa atractiva para nuevas plantas termoeléctricas debido a que ofrece bajos costos de capital, mejores eficiencias térmicas y menores niveles de subproductos contaminantes atmosféricos (como el Dióxido de Carbono, CO2) [13].

24 6 De igual manera el gas natural es ampliamente usado como combustible de calefacción y cocina tanto en el sector comercial como en el residencial; por su parte, industrialmente es usado como combustible de proceso y materia prima (principalmente en la industria petroquímica). Como resultado de su creciente demanda mundial e irrefutables beneficios ambientales (comparado con otros combustibles fósiles), el transporte del gas natural se ha convertido en un asunto de importancia para el suministro energético mundial. En su mayoría, el gas natural explotado es transportado a una planta de procesamiento para posteriormente ser entregado al consumidor final a través de gasoductos. Sin embargo, en ubicaciones remotas o cuando la distancia entre la fuente de gas y el mercado es suficientemente larga, la licuefacción del gas para su transporte se ha convertido en una operación industrial común [11] Gas Natural Licuado El gas natural licuado, también conocido como GNL, es gas natural que ha sido procesado y enfriado hasta su temperatura de condensación a presión atmosférica ( Pa). Debido a que está compuesto principalmente por metano, la temperatura de burbuja del gas natural a presión atmosférica se encuentra entre 104 y 110 K [13]. La temperatura de burbuja se define como el estado a una presión dada en el cual un fluido es completamente líquido y la primera burbuja de gas es formada, es decir, es el equivalente a la temperatura de saturación en compuestos puros. A manera de comparación, una unidad de volumen físico de GNL equivale aproximadamente a 600 unidades de volumen gaseoso estándar. Esta enorme reducción en volumen físico del gas natural licuado es aprovechada para la reducción de costos de transporte; esto es ciertamente la piedra angular del negocio de GNL pues la densidad volumétrica de energía se ve aumentada (más energía por unidad de volumen) permitiendo el transporte a larga distancia mediante buques para llegar a mercados que a través de gasoductos no serian económicos ni prácticamente posibles por la longitud requerida en el gasoducto [3].

25 7 La Figura 1.3 muestra costos de transporte del gas natural para distintas alternativas. De la figura es evidente que para distancias lo suficientemente largas el GNL es una opción económicamente factible, sin embargo, la alternativa del GNL es una tarea compleja que implica el desarrollo de diversos componentes, los cuales al acoplarse forman lo que se conoce como cadena de valor del gas natural licuado, la cual será discutida en la próxima sección. $/MMBtu 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Distancia (Millas) Gasoducto Tierra Firme Gasoducto Costa Afuera GNL Figura 1.3. Costo de transportación del gas natural [14] 1.2. Cadena de Valor del GNL Cuando se tiene una reserva de gas que se pretende explotar, es necesario hacerlo a través de una cadena de distintas etapas; en el caso del gas natural licuado éstas son básicamente: producción de pozo (aguas arriba), licuefacción, transporte y regasificación [15]. Cada una de estas etapas (mostradas en la Figura 1.4) posee sus propios desafíos tecnológicos y criterios de inversión, pero cada una se relaciona con el resto en el sentido de que ninguna de las etapas es un negocio viable sin las demás. Una breve explicación de cada una de las etapas se muestra a continuación.

26 8 Figura 1.4. Cadena de valor del GNL [13] Producción de pozo En los inicios de la industria petrolera, el gas natural era frecuentemente descubierto como un producto no deseado en la explotación de un campo petrolero, sin embargo, hoy en día, una gran proporción de la exploración se realiza con el mero objetivo de encontrar reservas de gas aprovechables. La exploración y producción de campos para proyectos de GNL es idéntica a la correspondiente a campos gasíferos tradicionales, con los mismos pozos y unidades de procesamiento en campo (para remover impurezas y compuestos pesados que puedan condensar durante el transporte desde el pozo hasta la planta de licuefacción). Licuefacción Una vez que el gas sale de las unidades de producción es medido y enviado por gasoductos a la planta de licuefacción; esta etapa es el corazón de cualquier proyecto de GNL y representa alrededor del 35-50% de la inversión en la cadena de valor, dependiendo de la capacidad y la ubicación de la planta [16]. Antes de que el gas pueda ser licuado debe ser tratado para remover dióxido de carbono, azufre, mercurio, compuestos pesados y agua, los cuales pueden congelarse o causar corrosión dentro de los intercambiadores de calor. El proceso de licuefacción es básicamente un ciclo complejo de refrigeración (como será visto más adelante) que consiste de compresores (impulsados por turbinas de gas o vapor, recientemente por motores eléctricos) e intercambiadores de calor, donde el calor del gas entrante es transferido al fluido de trabajo del ciclo, el cual a su vez transfiere este calor a un agente enfriador externo (agua o aire) [13].

27 9 Transporte Después de licuar y almacenar el gas, éste es cargado en buques diseñados especialmente para el transporte criogénico de gas, conocidos como metaneros. Existen dos tipos de buques metaneros, los esféricos y los de membrana. Regasificación Los buques metaneros descargan su contenido en terminales de regasificación (también conocidos como terminales de importación o recepción de gas) que se encuentran ubicados en el sitio de destino. Un terminal consiste de uno o más muelles (cada uno con una serie de brazos de descarga), tanques de almacenamiento de GNL y la planta de regasificación Termodinámica de los Procesos de Refrigeración Mientras el calor en la naturaleza es transferido de zonas de alta temperatura a zonas de temperatura más baja, la característica particular de un ciclo de refrigeración es su capacidad de remover calor de un área de baja temperatura para transmitirlo a una de alta temperatura [17]. Tanto los aires acondicionados como los refrigeradores convencionales realizan esto mediante un ciclo de refrigeración por compresión. Un ciclo de refrigeración por compresión está constituido principalmente por 4 unidades además de las tuberías de proceso, estas son: compresor, condensador, válvula de expansión y evaporador. Este tipo de ciclo es el sistema de refrigeración mayormente utilizado en la actualidad. Con el objetivo de introducir algunos aspectos importantes relacionados con ciclos de refrigeración es importante empezar por el ciclo de Carnot, debido a que es el ciclo de refrigeración ideal con la mejor eficiencia térmica [18]. Un ciclo de Carnot está constituido por 4 procesos internamente reversibles, dos adiabáticos alternados con dos isotérmicos. Un proceso es denominado irreversible cuando es imposible restaurar el sistema y todas las partes de su alrededor a su estado inicial una vez que el proceso ha ocurrido. Será reversible si tanto el sistema como los alrededores pueden ser

28 10 restaurados [17]. Matemáticamente la reversibilidad de un ciclo se expresa mediante la Ecuación (1.1) donde la igualdad aplica en el caso en el que no existen irreversibilidades internas a medida que el proceso se ejecuta y la desigualdad en el caso contrario. En esta ecuación Q representa la transferencia de calor en una parte de la frontera del sistema (subíndice b ) y T viene dado por la temperatura absoluta en dicha parte de la frontera. (1.1) Mediante un poco de análisis de la ecuación anterior (refiérase a [17]) es posible concluir que el valor de la integral depende únicamente del estado inicial y el final, por lo tanto representa el cambio en una propiedad del sistema; esta propiedad es ampliamente conocida como entropía y es representada por el símbolo S. En la Ecuación (1.2) se denota la definición de entropía en base diferencial. (1.2) Una vez introducida la definición de entropía es posible profundizar en el ciclo de refrigeración de Carnot, véase la Figura 1.5. WT y WC representan el trabajo de la turbina y del compresor, respectivamente; mientras que Qo y QC hacen referencia al calor transferido en el evaporador y el condensador, respectivamente. Como se mencionó previamente, los procesos adiabáticos que se llevan a cabo son compresión (1-2) y expansión (3-4); los procesos isotérmicos por su parte son condensación (2-3) y evaporación del fluido de trabajo (4-1). Basado en que el ciclo de Carnot está compuesto por procesos internamente reversibles, la Ecuación (1.2) puede ser usada para calcular el calor transferido tanto en el condensador como en el evaporador.

29 11 Figura 1.5. Ciclo de refrigeración de Carnot La transferencia neta de calor que se lleva a cabo durante un ciclo debe ser equivalente por balance de energía (Ecuación (1.3)) al trabajo neto realizado sobre el ciclo. Donde la transferencia neta de calor es igual a la diferencia entre el calor retirado del sistema (QC) y el calor añadido al sistema (QO); mientras que el trabajo neto representa la diferencia entre el trabajo del compresor (WC) y el trabajo de la turbina (WT). Véase la Figura 1.6, en donde se representa gráficamente el balance energético. (1.3) Figura 1.6. Balance energético de un ciclo representado en diagrama T-s

30 12 Termodinámicamente, el rendimiento de ciclos de refrigeración puede ser descrito como la relación entre la cantidad de energía añadida al sistema (conocida como efecto de refrigeración) y el trabajo neto empleado para realizar dicha tarea. Esta relación es comúnmente conocida como coeficiente de rendimiento del ciclo o COP (del inglés: Coefficient of performance) y viene dada por la Ecuación (1.4). (1.4) Para el ciclo de Carnot mostrado en la Figura 1.5 el coeficiente de rendimiento puede ser calculado encontrando las áreas representadas en la Figura 1.6 correspondientes a Qo y W, lo cual conlleva a la Ecuación (1.5). Esta ecuación representa el máximo coeficiente de rendimiento (COP) teóricamente posible para cualquier ciclo de refrigeración operando entre regiones de temperatura constante TC y TH [18]. (1.5) El coeficiente de rendimiento del ciclo de Carnot (COPCarnot) representa el máximo COP teórico que puede ser obtenido debido a que los procesos internamente reversibles son inviables en la práctica [17]. Una de las diferencias más importantes entre el ciclo de Carnot y uno prácticamente aplicable es la transferencia de calor entre el fluido del sistema y ambas zonas de temperatura constante (TC y TH). Para entender esta diferencia con mayor claridad se debe emplear una extensión de la ley de enfriamiento de Newton, la cual está representada por las Ecuaciones (1.6) y (1.7). Estas ecuaciones son ampliamente utilizadas para realizar el estudio de intercambiadores de calor, en donde Q denota la tasa de transferencia de calor a través del intercambiador (evaporador o condensador), U representa el coeficiente

31 13 global de transferencia de calor, A es el área de transferencia de calor y ΔTML representa la diferencia de temperaturas media logarítmica en donde ΔTx y ΔTx+Δx es la diferencia de temperaturas entre los fluidos interactuantes en dos ubicaciones arbitrarias (pero diferentes) a lo largo del intercambiador [19]. (1.6) (1.7) Basado en las Ecuaciones (1.6) y (1.7) se puede concluir que para obtener una tasa de transferencia de calor en un intercambiador de calor real es necesario que exista una diferencia de temperaturas entre las regiones (TH/TC) y el fluido de trabajo del ciclo (evaporador/condensador). Esta limitación conlleva a una reducción del coeficiente de rendimiento de un ciclo real en comparación con un ciclo de Carnot. Véase la Figura 1.7 donde el área sombreada en rosado representa el ciclo (para el mismo efecto de refrigeración) en el cual la diferencia de temperatura es tomada en cuenta. Nótese que dicho ciclo tiende al ideal (máximo COP) a medida que la diferencia de temperaturas se aproxima a cero. Figura 1.7. Irreversibilidades del ciclo real, transferencia de calor.

32 14 Relacionada a la conclusión previa y principalmente a la Ecuación (1.6) se encuentra la relación entre el área de transferencia de calor y la diferencia de temperaturas en el intercambiador de calor; esta relación define un aspecto de alta importancia en la etapa de diseño debido a que la reducción de la diferencia de temperaturas no solo representa un aumento en el coeficiente de rendimiento del ciclo sino un aumento en el área del intercambiador de calor. Lo cual implica que a medida que el área del intercambiador aumenta, los costos operacionales se reducen (el COP del ciclo tiende al COPCarnot) pero los costos de capital aumentan (tamaño del intercambiador de calor), lo cual sugiere la presencia de un punto de equilibrio económicamente óptimo. Además del fenómeno de transferencia de calor existen dos aspectos del ciclo de refrigeración de Carnot que lo convierten en un sistema impráctico para aplicaciones reales. En primer lugar, el fluido de trabajo en el proceso de compresión (refiérase a la Figura 1.5, proceso 1-2) es una mezcla líquido vapor lo cual debe ser evitado debido a que la presencia de gotas de líquido puede generar daños severos al equipo de compresión [20]. En sistemas reales el ciclo es diseñado de manera tal que el compresor debe manejar únicamente corrientes en fase gaseosa. En segundo lugar, el proceso de expansión en la turbina (proceso 3-4) maneja flujos bifásicos en el ciclo de Carnot, lo cual debe ser evitado al igual que para el caso del compresor. En el proceso de expansión el trabajo producido por la turbina es relativamente bajo comparado con el trabajo consumido por el compresor, por lo cual ésta es normalmente sustituida por una válvula de expansión, reduciendo así los costos de inversión inicial y mantenimiento del ciclo; el ciclo resultante de tal modificación es el ciclo de refrigeración por compresión descrito al inicio de esta sección. En la Figura 1.8 se muestra el comportamiento exhibido por un ciclo de refrigeración por compresión real. Tal como se aprecia, las irreversibilidades de la transferencia de calor son consideradas al igual que las irreversibilidades del proceso de compresión (1-2) representado por la línea segmentada. Es posible comparar el ciclo y el ciclo 1-2s para visualizar el efecto de la

33 15 irreversibilidad en la compresión. Este efecto es normalmente contabilizado por medio de una eficiencia isentrópica de compresión (ηc) dada por la Ecuación (1.8). Es de igual manera importante resaltar que el fluido de trabajo puede estar sobrecalentado en la salida del evaporador (estado 1) y subenfriado en la salida del condensador (estado 3). Figura 1.8. Diagrama T-s, ciclo de refrigeración por compresión real. (1.8) Para reducir el efecto de las irreversibilidades del proceso de compresión se puede usar un sistema de compresión en múltiples etapas. Esta idea se ilustra en la Figura 1.9 y se realiza sencillamente comprimiendo el gas hasta una presión intermedia, enfriándolo (interenfriador) y comprimiendo nuevamente hasta alcanzar la presión requerida. El área delineada en la figura representa la reducción que se obtiene en trabajo específico usando un sistema de compresión en múltiples etapas.

34 16 Los procesos de enfriamiento entre etapas se deben llevar a cabo en la región de vapor sobrecalentado de la envolvente de fase ya que cruzar a la zona de mezcla líquido vapor causaría daños al compresor, pues la entrada a la segunda etapa contendría líquido. Figura 1.9. Efecto de la compresión en múltiples etapas Refrigerantes y Arreglo de los Ciclos En los ciclos presentados anteriormente, un fluido fue recurrentemente mencionado como fluido de trabajo del sistema, pasando por procesos de transferencia de calor, compresión y expansión. Los fluidos de trabajo empleados en ciclos de refrigeración son comúnmente conocidos como refrigerantes. Cada refrigerante tiene propiedades particulares y la selección del refrigerante apropiado para cada aplicación es de vital importancia para el diseño de cualquier ciclo. La licuefacción de gas natural involucra básicamente el uso de refrigerantes a base de hidrocarburos no halogenados tales como metano, etano, propano, n-butano y etileno; otros refrigerantes tales como dióxido de carbono y nitrógeno son usados

35 17 pero con menor frecuencia. Como ha sido mostrado en la sección anterior, las temperaturas requeridas en el evaporador y el condensador son determinadas principalmente por las temperaturas de la zona fría y la zona caliente (refiérase a la Figura 1.7). En el caso de refrigerantes puros, estas temperaturas fijan un valor específico para la presión de alta (condensador) y la presión de baja (evaporador). La Figura 1.10 muestra la presión de saturación versus la temperatura para los refrigerantes mayormente empleados en los procesos de licuefacción de gas natural. Figura Presión de saturación como función de temperatura De esta figura, únicamente el metano (a presiones menores a 2 bar) y el nitrógeno muestran tener la capacidad de cubrir el rango de temperaturas requerido para la licuefacción de gas natural empleando un ciclo simple de refrigeración por compresión (véase Figura 1.8). La implementación de tal ciclo de refrigeración, usando metano (a 1.13 bar) por ejemplo, es ilustrada en un diagrama temperaturaentropía (Figura 1.11). Lo que se pretende con esta ilustración es demostrar que el trabajo consumido en el proceso de licuefacción de gas natural usando únicamente

36 18 metano como refrigerante implica una eficiencia relativamente baja; esta afirmación se muestra con mayor claridad en la Figura 1.12, nótese que las irreversibilidades por compresión y expansión no son tomadas en cuenta para la ilustración. Figura Diagrama T-s de metano, licuefacción de gas natural Figura Trabajo de un ciclo de refrigeración por compresión para amplios rangos de temperatura En casos como éste, al igual que en cualquier otro donde la refrigeración se lleve a cabo en un rango extenso de temperatura, un ciclo simple de refrigeración por compresión no es capaz de llevar a cabo el proceso de manera eficiente; en otras palabras, el coeficiente de rendimiento (COP) no es lo suficientemente alto. Dos

37 19 soluciones ampliamente empleadas en los procesos de licuefacción de gas natural serán presentadas a continuación: refrigeración multinivel y por mezcla de refrigerantes. El principio de la refrigeración multinivel consiste en que el proceso se lleve a cabo a diferentes niveles de presión. Este proceso se puede diseñar empleando el mismo refrigerante para todos los niveles de presión (conocido como proceso multietapas) o empleando refrigerantes distintos para cada ciclo, en cuyo caso se denomina un proceso en cascada. De cualquiera de las dos formas (multietapas o cascada), la idea de un proceso multinivel es la que se ilustra en la Figura Figura Diagrama T-s de refrigeración multinivel Cuando se trata de un proceso multietapas, un compresor de múltiples etapas es normalmente usado; estos compresores son desarrollados de manera tal que un solo compresor puede tomar fluidos a distintas presiones (de diversas entradas) y comprimirlos hasta una presión final común. Por otra parte, si el proceso es en cascada, los refrigerantes de cada nivel no deberán ser mezclados y por tanto un compresor por cada nivel deberá ser usado. Vale destacar que un ciclo en cascada

38 20 puede ser diseñado como un ciclo multietapas, es decir, cada ciclo de la cascada será un ciclo multietapas. La otra alternativa para conseguir procesos de refrigeración eficientes para amplios rangos de temperatura es usar una mezcla de refrigerantes como fluido de trabajo. Las mezclas de refrigerantes, a diferencia de los compuestos puros, experimentan cambios de fase isobáricos a temperaturas cambiantes delimitadas por las temperaturas de rocío y de burbuja. La comparación del cambio de fase para un compuesto puro y una mezcla de ellos es mostrada en la Figura 1.14 donde los puntos de rocío y burbuja están identificados. Figura Cambio de fase para compuestos puros y mezcla, comparación Basado en una buena selección de composiciones y presiones de trabajo, un ciclo de refrigeración con mezcla de refrigerantes puede llevar a cabo un proceso de licuefacción de gas natural como el que se ilustra en la Figura Una variación del circuito de intercambio de calor comúnmente utilizada en el caso de ciclos con mezcla de refrigerantes es la mostrada en la Figura Es una configuración ampliamente conocida y utilizada, donde el lado de alta presión intercambia calor con el lado de baja además del intercambio de calor con el agente enfriador externo en el condensador, lo cual aporta mayor COP al sistema [21].

39 21 Figura Diagrama T-s de refrigeración con mezcla de refrigerantes Figura Arreglo del intercambiador de calor para mezcla de refrigerantes. Basado en los principios de refrigeración presentados en esta sección, en la sección subsiguiente de este capítulo se introducirán brevemente algunos de los procesos de licuefacción mayormente utilizados, con especial atención en los procesos a ser estudiados en este trabajo.

40 Procesos de Licuefacción de Gas Natural A inicios de la década de los sesentas la primera planta de licuefacción de larga escala inició sus operaciones en Arzew, Argelia. El proceso de licuefacción desarrollado para dicha planta fue un ciclo en cascada propuesto por Technip/Pritchard usando tres refrigerantes: metano, etileno y propano [7]. Desde aquel comienzo la producción de gas natural licuado ha crecido significantemente y para cada nuevo proyecto se han ofrecido innovadoras tecnologías de ingeniería por los licenciantes que lideran el mercado. Una planta de licuefacción normalmente consiste de una cantidad de unidades en paralelo, llamadas trenes. Cada tren puede ser considerado un ciclo de licuefacción independiente y el uso de múltiples trenes se debe a que la capacidad requerida de la planta es menor a la capacidad máxima de un tren de licuefacción licenciado. La capacidad de un tren de licuefacción viene determinada principalmente por el proceso seleccionado, las limitaciones de los compresores (junto con sus motores) y la capacidad de los intercambiadores de calor del sistema. En la Figura 1.17 muestra el crecimiento histórico de la capacidad de licuefacción por tren en operación con el detalle del licenciante de la tecnología instalada. Figura Crecimiento de capacidad del tren de licuefacción [22]