PDV Caribe 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 Mayo, 2015
Contenido q q q q q q q q q Objetivo Introducción Ciclos de refrigeración Gas natural de alimentación y condiciones de proceso Modelo termodinámico Análisis de exergía Proceso de licuefacción de gas natural evaluados Análisis de resultados Conclusiones
Objetivo del Trabajo 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
Introducción 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.
Ciclos de refrigeración El desempeño de un ciclo depende de la eficiencia termodinámica, la cual esta influenciada por los siguientes aspectos: Gas Líquido Limitaciones mecánicas en impulsores: Incremento en eficiencia limitada Limitaciones en Inter. de Calor: Acercamiento entre temperaturas Caída de presión W int Tipo de Refrigerante Composición/Flujo/Presión Limitaciones en compresores Centrífugos: alrededor de 75% Axiales: alrededor de 86% Agua / Aire Limitaciones en Expansores o Válvulas JT Expansión Irreversible
Curva compuesta de calentamiento y enfriamiento 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 100% 80% Pre-enfriamiento Enthalpia 60% 40% Liquefacción 20% Sub-enfriamiento 0% -180-150 -120-90 -60-30 0 30 60 Temperatura ( C)
Ciclos con componentes puros como refrigerantes 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. Temperatura Entalpía
Ciclos con mezclas 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. Temperatura Entalpía
Modelo Termodinámico 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:
Análisis de Exergía 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 - Válvula de Expansión - Intercambiador de Calor - Eficiencia Exergética Global del Proceso - Enfriadores
Gas natural alimentación y condiciones de proceso - 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 N 2 CO 2 CH 4 C 2 H 6 C 3 H 8 ic 4 H 10 nc 4 H 10 ic 5 H 12 nc 5 H 12 C 6 H 14 C 7 H 16 C 8 H 18 C 9 H 20 C 10 H 22 Fracción Molar 0,2688 0,1438 99,4480 0,0759 0,0428 0,0050 0,0020 0,0013 0,0015 0,0030 0,0020 0,0020 0,0018 0,0018
Proceso mezcla única de refrigerante (MUR) 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 Presión baja (bar) Presión alta (bar) Flujo Refrigerante (kg mol/s) Composición Mezcla Refrigerante Componente C 1 C 2 C 3 nc 4 N 2 Componente 3,70 40,00 27,26 (%molar) 0,3556 0,2784 0,0823 0,1866 0,3556
Proceso pre- enfriamiento con propano y mezcla (C3MR) 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 Ciclo de Mezcla de Refrigerante Compresor de Mezcla Ciclo de Propano Compresor de Propano GNL GLP Variable Componente C 3 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) C 1 0,4003 nc 4 0,0196 C 2 0,3773 N 2 0,0693 C 3 0,1334 Separador
Proceso de cascada optimizada 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 GNL Ciclo de Enfriamiento Variable C 1 C 2 C 3 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 Compresor de Metano
Análisis de resultados 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. 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
Análisis de resultados 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 C3MR (Ciclo Mezcla) Cascada Optimizada (Ciclo C1)
Análisis de resultados 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. 4,6% 14,46% 23,56% 43,7% 9% 19% 18,6% MUR C3MR 51,7% CASCADA 226,58 MW 197,91 MW 215,28 MW 25,4% 56,1% 61,98% 72% Intercambiadores 1 Compresor 2 Enfriadores 3 1 2 3 Intercambiadores Compresor Enfriadores
Conclusiones 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.
ANÁLISIS DE EXERGÍA EN PROCESOS DE LICUEFACCIÓN DE GAS NATURAL PARA POTENCIALES DESARROLLOS EN VENEZUELA!Gracias por su atención Ramiro Guerrero Navia PDV Caribe guerrerorp@pdvsa.com Marco Gonzalez De León Universidad Simón Bolívar margdleon@usb.ve