ANÁLISIS COMPARATIVO DE PROCESOS DE LICUEFACCIÓN DE GAS NATURAL

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1 ANÁLISIS COMPARATIVO DE PROCESOS DE LICUEFACCIÓN DE GAS NATURAL Ramiro Guerrero-Navia, Marco González D. Departamento de Mecánica Universidad Simón Bolívar Baruta, Miranda, Venezuela RESUMEN La alternativa de monetización del gas natural vía gas natural licuado toma cada día más relevancia dentro del mercado energético internacional. En la industria del gas natural licuado, los procesos de mayor aplicación emplean refrigerantes como componentes puros o como mezclas para lograr el enfriamiento, licuefacción y subenfriamiento del gas. En este trabajo se desarrolla una comparación conceptual de las principales tecnologías a escala global para plantas con capacidades de 4,7 millones de toneladas anuales. Además, se describen los elementos clave y los aspectos principales del desempeño de los procesos de licuefacción. El consumo energético de cada uno de estos procesos es comparado y relacionado con el acercamiento de las curvas de enfriamiento y calentamiento; tipo de refrigerante, configuración de proceso, y número de etapas de compresión sobre la eficiencia del proceso. Los resultados obtenidos indican que el proceso que usa Pre-enfriamiento con Propano y Mezcla de Refrigerantes es más eficiente que los procesos de Mezcla Única de Refrigerantes y de Cascada, para las condiciones y configuraciones de proceso usadas en el estudio. Palabras Clave: Gas natural licuado, Requerimiento energético, Proceso de licuefacción, Mezcla de Refrigerante, Cascada XVIII Convención de Gas, AVPG, Caracas, Venezuela, de Mayo, 2008 Página 1

2 ANÁLISIS COMPARATIVO DE PROCESOS DE LICUEFACCIÓN DE GAS NATURAL. INTRODUCCION El gas natural licuado (GNL) es una forma de transporte de gas considerada rentable, entre otras situaciones, cuando la demanda se encuentra muy distante de los campos productores (distancias mayores a 3000 Km). En un mercado internacional de gas natural en continuo crecimiento (91% de incremento en el período ), el GNL fue utilizado para transportar el 28,21% del gas natural comercializado internacionalmente durante el año 2006 (BP, 2007). El proceso de licuefacción de gas consiste en disminuir su temperatura hasta aproximadamente 160 ºC, disminuyendo su volumen en una relación 600:1, lo cual permite el transporte de importantes volúmenes de gas natural a grandes distancias en barcos refrigerados en forma rentable (Tariq, 2004). Previo a la licuefacción, el gas natural producido de los yacimientos es tratado para eliminar contaminantes (H 2 S, agua, CO 2, mercurio) y procesado para separar en fase líquida, los elementos más pesados del gas; luego la fase gaseosa de ese procesamiento es sometida a la etapa de licuefacción, mencionada anteriormente. Las tecnologías de licuefacción están basadas en un ciclo de refrigeración donde el refrigerante es sometido a sucesivas etapas de expansión y compresión, transportando calor desde muy altas a bajas temperaturas. El refrigerante puede ser parte de la corriente de alimentación del gas natural (proceso de ciclo abierto) o un fluido separado recirculado continuamente a través del proceso (ciclo cerrado). De igual forma, el refrigerante puede poseer varios componentes puros, que pueden ser alimentados al proceso a distintas presiones, como también una o varias mezclas de componentes alimentados al proceso a una o varias presiones (Finn et al., 1999; Mokhatab y Economides, 2006; y Guerrero et al., 2007). XVIII Convención de Gas, AVPG, Caracas, Venezuela, de Mayo, 2008 Página 2

3 En general, las principales tecnologías desarrolladas comprenden: a) Procesos que usan componentes puros en su ciclo de refrigeración, como el Cascada Optimizada de ConocoPhillips; b) Procesos que usan una mezcla de refrigerantes en su ciclo de refrigeración, como PRICO, desarrollado por Black & Veatch Pritchard; c) procesos que usan refrigerantes puros como el propano para pre-enfriamiento y una mezcla de refrigerante para enfriamiento y subenfriamiento, como el C3MR desarrollado por Air Products; y d) procesos que usan múltiples mezclas de refrigerantes en cascada como el Statoil-Linde MFC y los DMR, que usan dos mezclas de refrigerante y han sido desarrollados por Shell, Liquefin y Air Products. El proceso C3MR es el de mayor aplicación a escala mundial para plantas de gran capacidad, con un 80% de la producción mundial de GNL (Remeljej y Hoadley, 2006; y Van de Graff y Pek, 2005); no obstante, Van de Graff y Pek (2005) señalan que las nuevas tecnologías de licuefacción que han sido desarrolladas harán disminuir la participación de mercado del C3MR. En el presente trabajo se desarrolla un análisis comparativo de los aspectos principales del desempeño de los procesos de licuefacción de gas natural que emplean refrigerantes; de igual forma se amplía un análisis basado en los requerimientos energéticos de estos procesos empleando como refrigerantes una mezcla en una sola etapa, componentes puros en tres etapas y la combinación de componentes puros con mezcla de refrigerantes en distintas etapas. CICLOS DE REFRIGERACIÓN USADOS EN LA LICUEFACCIÓN DE GAS El principio básico para el enfriamiento y licuefacción del gas usando refrigerantes es lograr el mayor acercamiento entre la curvas de: enfriamiento del gas de proceso y calentamiento del refrigerante; esto resulta en un proceso termodinámicamente más eficiente, requiriendo menos energía por unidad de GNL producido (Mokhatab y Economides, 2006). XVIII Convención de Gas, AVPG, Caracas, Venezuela, de Mayo, 2008 Página 3

4 En una curva de enfriamiento de un proceso de licuefacción típico, se pueden notar tres zonas que incluyen: a) una zona de pre-enfriamiento, b) una zona de licuefacción y c) una zona de subenfriamiento, todas estas zonas son caracterizadas por tener diferentes concavidades en la curva o calores específicos a lo largo del proceso. Todos los procesos de GNL son diseñados para minimizar las diferencias entre las curvas de enfriamiento del gas y la de calentamiento del refrigerante (Mokhatab y Economides, 2006). La forma de la curva del refrigerante depende de su composición; por lo tanto la selección de un componente puro o una mezcla en el ciclo de refrigeración es sumamente importante para el acercamiento entre estas curvas. Ciclo refrigerante con componentes puros. El gas natural es enfriado, condensado y subenfriado en los intercambiadores de calor por medio de componentes puros, las aplicaciones más comunes (ciclo de cascada) usan tres componentes: propano, etileno (o etano) y finalmente metano en tres etapas discretas. Con el uso de componentes puros se obtienen rangos de temperatura de operación restringidos debido a las propiedades físico-químicas de cada uno de éstos, razón por la cual los procesos se aplican en una serie de etapas. Los tres circuitos de refrigerante generalmente tienen multi-etapas de expansión y compresión, cada una operando a tres niveles de temperatura distinta. Los ciclos están acoplados de tal forma de obtener el mayor rendimiento energético posible. El ciclo en cascada requiere de una baja cantidad de energía para todas las etapas, ya que el flujo de refrigerante es bajo, debido a una mayor diferencia de temperatura en el intercambiador. Este proceso es también flexible operacionalmente, ya que cada circuito de refrigerante puede ser controlado por separado; la mayor desventaja es que tiene asociado un alto costo de capital debido al número de circuitos de compresión (Finn et al. 1999; Lee et al., 2002). XVIII Convención de Gas, AVPG, Caracas, Venezuela, de Mayo, 2008 Página 4

5 Ciclo refrigerante con mezcla. Este ciclo permite modificar las curvas de enfriamiento y calentamiento, en diferentes fases o etapas del proceso de licuefacción, obteniendo una alta eficiencia de refrigeración y una reducción del consumo de energía. La composición de la mezcla es especificada para que el refrigerante líquido se evapore en un rango de temperatura similar a la del gas natural que se va a licuar. Una mezcla de nitrógeno y de hidrocarburos (generalmente en un rango entre C1 y C5) es comúnmente utilizada para proveer un rendimiento óptimo de refrigeración. Este tipo de ciclo tiene la ventaja de poseer una configuración simple, lo cual implica una menor cantidad de equipos. La mezcla de refrigerante puede ser aplicada de manera simple, en multietapas o en un sistema de refrigeración en cascada. El uso de mezcla de refrigerante es particularmente efectivo si el enfriamiento en el proceso ocurre en un rango significativo de temperatura. En la práctica, este tipo de sistemas es considerado menos eficiente que los sistemas convencionales en cascada, debido a que las fuerzas impulsoras de temperaturas son más pequeñas y por ende los requerimientos de flujo de refrigerante son mayores (Finn et al. 1999; Lee et al. 2002; Mokhatab y Economides. 2006). El diseño de una mezcla de refrigerante requiere de ciertos grados de libertad que deben ser manipulados simultáneamente, tres variables claves juegan un papel importante ya afectan el desempeño general del proceso, éstas son: nivel de presión, flujo de refrigerante y composición del refrigerante. La selección de un nivel de presión para la evaporación de la mezcla de refrigerante afecta la diferencia en la temperatura entre la curva de enfriamiento del proceso y la curva de evaporación del refrigerante, ya que un incremento en la diferencia de la temperatura elevará los requerimientos de energía del proceso. XVIII Convención de Gas, AVPG, Caracas, Venezuela, de Mayo, 2008 Página 5

6 Por su parte, un incremento en el flujo de refrigerante puede aumentar la diferencia de temperatura entre la curva de enfriamiento del proceso y la curva de evaporación, y viceversa. Un incremento en el flujo de refrigerante aumenta los requerimientos de energía de la refrigeración. Sin embargo, si el flujo de refrigerante es muy bajo, pudiese causar un cruce de temperaturas (diferencias de temperaturas negativas) en el intercambiador de calor. La composición de la mezcla de refrigerante puede ser manipulada para alcanzar las condiciones requeridas. La introducción de nuevos componentes o el reemplazo de componentes ya existentes por unos nuevos, provee de grados de libertad adicionales para alcanzar un mejor desempeño. Consumo Energético del Proceso Las mayores irreversibilidades presentes en los procesos de GNL están dadas por las pérdidas en los sistemas de compresión, las fuerzas impulsoras presentes en el intercambiador principal y demás intercambiadores de calor, y las pérdidas por fuga de refrigerantes. Para este trabajo, sólo se consideran como consumo energético los requerimientos de energía del compresor, los cuales representan el mayor porcentaje de las pérdidas totales en el proceso (Pilarella et al., 2005). Comparación de Procesos Tres variaciones importantes de los procesos de licuefacción de gas natural son los procesos de mezcla única de refrigerante, el proceso de cascada y el proceso de propano preenfriado y mezcla de refrigerante. Del análisis en detalle de cada uno de estos procesos se logra obtener una visión precisa de los aspectos fundamentales que inciden en el rendimiento. Para la determinación de los consumos energéticos para cada caso se estableció una capacidad de 4,7 MMTPA, con una entrada de gas con una composición típica de gas en Venezuela (ver Tabla 1), a 40 barg y 25 ºC, y XVIII Convención de Gas, AVPG, Caracas, Venezuela, de Mayo, 2008 Página 6

7 considerando en compresores una eficiencia politrópica de 80% y en enfriadores, una caída de presión de 0,1 bar y una temperatura de refrigerante de 25 ºC. Tabla 1. Composición del gas de entrada a la planta de GNL Componente Porcentaje Molar C 1 94,65 C 2 1,50 C 3 0,75 nc 4 0,29 ic 4 0,10 nc 5 0,11 ic 5 0,07 C 6 + 1,51 N 2 1,02 En la Figura 1 se muestra un esquema general del proceso de mezcla única de refrigerante, para 1, 2 y 3 etapas de compresión. En este proceso el gas es enfriado, licuado y subenfriado en el intercambiador de calor principal, por medio de una mezcla única de refrigerante con componentes de C1 a C4 y N2. En este proceso el refrigerante de baja presión promueve la condensación del refrigerante de alta que posteriormente es expandido a través de una válvula J-T a fin de garantizar el diferencial de temperatura requerido en el intercambiador de calor. (Price et al,1996; Remejej y Hoadley, 2006, y Tariq, 2004) Evaluando el SMR para las condiciones indicadas en la Tabla 2, se puede apreciar que con la compresión en tres etapas se logra un ahorro energético del 11,81% con respecto a la compresión en una sola etapa, mientras que entre dos y tres etapas, el ahorro de energía es bajo: 1,3%; considerando que el costo adicional de la tercera etapa no genera mayores beneficios, se determina que la configuración más adecuada sería una compresión en dos etapas, lo cual se ajusta a la realidad de la industria del GNL, con equipos de una relación de compresión menor a 5. XVIII Convención de Gas, AVPG, Caracas, Venezuela, de Mayo, 2008 Página 7

8 Gas Natural 3,7 bar 40 bar Pr: 10,81 Intercambiador de Calor Principal 12,17 bar 3,7 bar 40 bar Pr: 3,29 Separador Separador 3,7 bar 8,18 bar 18,08 bar 40 bar GLP GNL Pr: 2,21 Compresor de Refrigerante Figura 1. Esquema General del Proceso de Mezcla Única de Refrigerante para Una, Dos o Tres Etapas de Compresión Tabla 2. Características para los Casos Evaluados del Procesos SMR. Variaciones del Proceso SMR Mezcla de Refrigerante C 1 0,3556 C 2 0,2784 C 3 0,0823 nc 4 0,1866 N 2 0,0971 Flujo de Refrigerante(kmol/s) 23,10 Casos Evaluados Caso1 Caso2 Caso3 Presión Baja (bar) 3,70 3,70 3,70 Presión Alta (bar) 40,00 40,00 40,00 Presión Intermedia 1 (bar) - 12,17 8,18 Presión Intermedia 2 (bar) ,08 Relación de Compresión 10,81 3,29 2,21 Consumo Energético (MW) 200,40 179,10 176,74 Ahorro Energético (%) - 10,63 11,81 XVIII Convención de Gas, AVPG, Caracas, Venezuela, de Mayo, 2008 Página 8

9 Las curvas de enfriamiento y calentamiento en el intercambiador de calor principal después de la separación de pesados para el SMR bajo las condiciones evaluadas (Figura 2), poseen un buen acercamiento. Sin embargo, la composición del refrigerante puede ser mejorada (disminuyendo la separación en el rango de - 28 C a 25 C), para así obtener una mayor eficiencia energética. Un mejoramiento del proceso SMR podría ser la incorporación de una etapa de preenfriamiento, para así reducir el rango de temperatura de enfriamiento y licuefacción del gas que se tiene que efectuar en el único intercambiador de calor; esto generaría una mezcla de refrigerante con un menor número de componentes. Este hecho llevaría a un proceso C3MR, el cual se caracteriza por tener buen desempeño en climas tropicales (Paradowski, 2004), lo cual permite emplear un refrigerante como propano para lograr la disminución de la temperatura del gas hasta -32 C requiriendo menores flujos másicos que los refrigerantes de mezcla e incurriendo en una generación de entropía moderada, producto de las diferencias de temperaturas presentes en el intercambiador de calor. Figura 2. Curva de Enfriamiento y Calentamiento en el Intercambiador de Calor Principal Antes de la Separación de Pesados para el SMR XVIII Convención de Gas, AVPG, Caracas, Venezuela, de Mayo, 2008 Página 9

10 En la figura 3 se muestra un esquema general de proceso C3MR, en el cual el propano es incorporado al proceso en tres etapas y la mezcla de refrigerante es diseñada en función al rango de enfriamiento requerido. Las condiciones y características evaluadas del C3MR están indicadas en la Tabla 3. Ciclo de Propano Compresor de Propano Gas Natural Separador GLP Ciclo de Mezcla de Refrigerante Compresor de Mezcla GNL Figura 3. Esquema General del Proceso de Pre enfriamiento con Propano en tres Etapas y Mezcla de Refrigerante. Tabla 3. Características para el Proceso C3MR. Condiciones del Proceso C3MR Variables Propano Mezcla de Refrigerante (%molar) Presión Baja (bar) 1,3 3,7 C 1 0,4003 Presión Media (bar) 2,94 - C 2 0,3773 Presión Alta (bar) 6,64 18,4 C 3 0,1334 Relación de Compresión 15,0 4,0 nc 4 0,0196 Flujo de Refrigerante (kmol/s) 11,97 22,86 C 1 0,0693 Consumo Compresor (MW) 89,62 84,11 Consumo Energético Total (MW) 173,73 XVIII Convención de Gas, AVPG, Caracas, Venezuela, de Mayo, 2008 Página 10

11 De acuerdo a los valores reportados, se puede apreciar que existe una reducción del consumo energético (4%) de las unidades compresoras para la configuración de C3MR descrita. No obstante, el licenciante Air Products (APCI) (Thompson, et al., 2004) reporta para su proceso de C3MR (configuración aproximada a la presentada en este trabajo) requerimientos un poco menores a los aquí obtenidos (aprox. 10%). Esto le brinda ventajas potenciales a este proceso, mas aun si se observa la Figura 4, a pesar de obtener un mejor acercamiento entre las curvas de calentamiento y enfriamiento, la mezcla pudiese ser mejorada para mayores rendimientos. Figura 4. Curva de Enfriamiento y Calentamiento en el Intercambiador de Calor Principal. Proceso C3MR Si al proceso C3MR, se sustituye el uso de una mezcla refrigerante etapas sucesivas de componentes puros, se obtendría un proceso de configuración similar a los procesos típicos de cascada. En la Figura 5 se muestra un esquema general en el cual propano, etano y metano de manera pura, son alimentados al proceso, cada uno en ciclos independientes pero aprovechando las temperaturas de las etapas anteriores para promover la condensación del refrigerante siguiente, es decir el etano es condensado con la evaporación del propano y a su vez el metano es condensado XVIII Convención de Gas, AVPG, Caracas, Venezuela, de Mayo, 2008 Página 11

12 con la evaporación del etano. Algunas aplicaciones emplean etileno para la segunda etapa a diferencia del etano con diferencias no tan significativas, obviamente su uso va depender de la disponibilidad del mismo, considerando la complejidad de los procesos para su obtención es considerado el etano en este trabajo. Gas Natural GNL Compresor de Propano Compresor de Etano Compresor de Metano Figura 5. Esquema General del Proceso de Cascada. Algunos autores y licenciantes de este proceso tipo cascada, como ConocoPhillips, señalan que el proceso es tan eficiente como los procesos de mezcla de refrigerantes (Finn et al., 1999); sin embargo, el valor de energía requerida aquí reportado (505,89 MW ver Tabla 4) está por encima de los valores obtenidos en las dos configuraciones de proceso anteriores, lo cual indicaría que el proceso real tipo Cascada tiene diferencias no visualizadas en el modelo aquí reportado. No obstante, en el proceso tipo Cascada las irreversibilidades generadas debido a los gradientes de temperaturas son mayores, el distanciamiento de las curvas de calentamiento y enfriamiento es mayor y por lo tanto el consumo energético del compresor debe ser mayor. XVIII Convención de Gas, AVPG, Caracas, Venezuela, de Mayo, 2008 Página 12

13 Tabla 4. Características para el Proceso Tipo Cascada. Variables Propano Etano Metano Presión Baja (bara) 1,4 1,4 1,4 Presión Alta (bara) 7,0 19,0 45,0 Presión Intermedia 1 (bara) - - 4,45 Presión Intermedia 2 (bara) - 5,16 14,15 Relación de Compresión 5,0 3,68 3,18 Flujo de Refrigerante (kmol/s) 15,75 11,09 31,16 Consumo Compresor (MW) 78,70 82,40 344,79 Consumo Energético Total (MW) 505,89 Los ciclos de mezcla de refrigerantes, a diferencia de los ciclos con componentes puros, poseen un mayor grado de libertad, es decir adicionalmente a las presiones de evaporación y de condensación, y al flujo másico, las fracciones de cada uno de los componentes pueden ser modificadas, representando cada uno de estos grados de libertad adicionales, para la optimización del proceso. Por otro lado, los ciclos de cascada tienen como ventaja que cada ciclo puede ser operado separadamente, además de que la existencia de un gradiente de temperatura mayor en el intercambiador de calor reduce el área de transferencia de calor requerida y su vez el tamaño de la planta. CONCLUSIONES En este trabajo se realizó un análisis comparativo de los requerimientos energéticos de tres ciclos de licuefacción de gas natural: mezcla única de refrigerante o SMR, C3MR y Cascada. Se demuestra que el número de etapas de compresión es un parámetro de diseño clave en los procesos de licuefacción del gas natural, dependiendo el número óptimo de etapas de la comparación entre el ahorro energético y el costo relacionado con el incremento de etapas. Para los datos usados en el proceso SMR, el número óptimo de etapas de compresión es dos. La XVIII Convención de Gas, AVPG, Caracas, Venezuela, de Mayo, 2008 Página 13

14 incorporación de una etapa de pre enfriamiento con propano al proceso de SMR, permite mejorar su rendimiento energético. El proceso de licuefacción de gas natural mediante componentes puros como refrigerantes, requieren un mayor consumo energético de las unidades compresoras que los procesos que emplean mezclas de refrigerante. Finalmente, la utilización de un proceso que emplee una etapa de preenfriamiento con propano y licuefacción y subenfriamiento con mezcla de refrigerante, es una buena alternativa desde el punto de vista del requerimiento energético, para posibles proyectos a desarrollarse en Venezuela. REFERENCIAS 1. British Petroleum (BP). Statistical Review of World Energy. Obtenido de Finn A., Johnson G and Tomlinson T. Development in Natural Gas Liquefaction, Hydrocarbon Processing, Vol. 78, n o 4, pp , April Guerrero R. González M. y Guignan J Processes of liquefied natural gas-state of the arts. 86th Annual Convention of Gas Processor Association. San Antonio. TX. USA.. 4. Lee G., Smith R and Zhu X. Optimal Synthesis of Mixed-Refrigerant System for Low Temperature Processes. Industrial & Engineering Chemistry Research. Vol. 41, n o 20, pp Mokhatab S. and Economides, M. J. Process Selection is Critical to Onshore LNG Economics, World Oil Magazine. Vol. 227, No Paradowski H. Propane Precooling Cycles for Increased LNG Train Capacity. LNG 14 th Conference. Qatar Pillarella, M. R., Bronfenbrenner, J.C., Liu, Yu-Nan y Roberts, M. J. Large LNG Trains: Developing the optimal process cycle. GASTECH Feria y Congreso sobre Gas Natural Licuado. Bilbao. España XVIII Convención de Gas, AVPG, Caracas, Venezuela, de Mayo, 2008 Página 14

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