March 2008 - Español

Marzo 2008: Previo del Mes (PDM) para el Procesamiento del Gas

Impacto de las impurezas sobre un ciclo de Refrigeracion con Propano – Temperatura de acercamiento constante

En este previo del mes (PDM) continuaremos nuestra discusión del efecto de las impurezas contenidas en el  fluido térmico impactando el rendimiento de sistemas de refrigeración empleando propano. Específicamente, estudiaremos el impacto en la potencia de compresión, la tasa de circulación del refrigerante, y la carga térmica del aeroenfriador ( condensador). 

En el PDM previo la temperatura de alimentación del evaporador ( chiller) se mantuvo en – 35 °C, pero la temperatura de descarga variaba en función de las impurezas; de esta manera la temperatura de acercamiento fue variante. En este PDM revisitaremos el caso considerando una temperatura de acercamiento invariante. Es decir, la temperatura de descarga del “chiller” se mantuvo a   – 35 °C, pero fueron variadas las condiciones de presión/temperatura de entrada debido a la presencia de las impurezas.

Los detalles de un sistema de refrigeración sencillo de una etapa, y otro de dos etapas empleando un separador economizador se detallan en el Capítulo 16 del Volúmen 2 del Texto   “Acondicionamineto y Procesamiento del Gas” ( Gas Conditioning and Processing) (1). Similar a lo tratado en el PDM de Febrero, los diagramas de flujo de proceso (PFD) para el caso sencillo , asi como el de dos (2) etapas se muestra en la Figura 1. Nótese que fueron considerados distintos  diferenciales de presión en varios segmentos de los lazos del sistema.

Consideremos el caso del previo PDM en el cual el objectivo fue remover 2778 kW del gas de proceso a –35 °C, y despojando éste al ambiente a través de aeroenfriador a 35 °C. Las predeterminaciones para las caidas de presión fueron: en la linea de descarga del compresor al condensador, y en éste 50 kPa, en el chiller 5 kPa, en la linea de alimentación del compresor 30 kPa, entre las dos etapas del separador economizador 20 kPa, y entre éste , y la segunda etapa de compresión 20 kPa.  El propano puro fue considerado como el fluido base de ensayo. Una eficiencia isoentrópica de 75% fue aplicada en todos los casos. Para el separador economizador, la presión optimizada “entre – etapas” fue aplicada para asi reducir las cargas de compresión del conjunto. En este estudio ,  todas las simulaciones fueron ejecutadas por el compendio de simulación HYSYS (2).

La producción del propano se realiza mendiante el fraccionamiento del LGN; sin embargo intentar el logro de una pureza de 100 % no se justifica enconómicamente. Por consiguiente, el fluido térmico de trabajo normalmente posee mínimas fracciones de etano y butanos. Consideramos éstos componentes como impurezas , y se estudió su impacto en el rendimiento del sistema de refrigeración con propano. La composición y peso molecular de los once (11) casos considerados se muestran en la Tabla 1.  La última columna representa la relación del peso molecular de la mezcla a la del propano. Tal como se obtuvo en el previo PDM, consideramos el caso de etapa sencilla          ( simple) , y el de dos (2) etapas ( economizador) para el sistema de refrigeración. El resúmen de los resultados se exponen en las Tablas 2 , A&B.

 
Tabla 1. Composición del Fluido térmico para los 11 casos estudiados

Considerando la representación gráfica de los resultados de la simulación, la data de las Tablas 2, A&B se detallan en forma adimensional mediante las Figuras 2 al 4. El propano puro ha sido la selección para el caso base, y el rendimiento de los otros casos tomados en comparación  a éste. La Figura 2 representa el efecto de impurezas de etano y butanos en el caudal de circulación requerido. Nótese que en esta Figura, y las subsiguientes, la coordenada “y” es la relación de las variables de los casos 2 al 11 ( caudal de circulación, carga térmica del condensador, o la potencia de compresión) dividida por la variable del caso 1 respectivamente. Similarmente, la coordenada “x” es la relación referente a  los casos 2 al 11 del peso molecular al peso molecular del caso 1. Recuerden que el caso 1 representa el propano puro como caso base. Como muestra la Figura la impureza de etano aumenta el caudal de circulación. Las incidencias incrementadas de butanos se refleja en una disminución del citado caudal. El efecto de etano es aproximadamente el doble en comparación con el caso del butano para un nivel de contaminación idéntico.




Las Figuras 3, y 4 representan el efecto las impurezas de etano y butanos sobre la carga térmica del aeroenfriador (condensador), y  la potencia de compresión requerida respectivamente. Estas dos Figuras indican que tanto el etano como los butanos aumentan la carga termica, asi como la potencia citada. Es interesante notar que el efecto de las impurezas de los butanos es el doble de los butanos para los mismos niveles de concentración molar de impurezas.

Al revisar las Figuras 2 al 4, se pueden resumir las siguientes observaciones:

1. Las impurezas impactan el rendimiento de un sistema sencillo de refrigeración.
2. La tendencia del impacto de estas impurezas es similar para el sistema de refrigeración sencillo de una sola etapa, asi como el de dos etapas empleando el separador economizador.
3. Imponiendo una temperatura constante de descarga en el evaporador ( chiller) . la temperatura de la corriente de alimentación del refrigerante tuvo que ser disminuida, lo cual resultó en una disminución de la presión del chiller ( Ver Tablas 2 , A&B). Esto causó  un una relación de presion incrementada, y por consiguiente  un aumento en la potencia de compresión. De igual manera se observa que mientras aumenta la impuerza de etano, se ve aumento correspondiente en la presión de descarga de compresión, asi como la de operación del condensador. Para el caso de la refrigeración sencilla el aumento de la presión de descarga se elevó de 1270 a 1417 kPa cuando la impureza de etano fue variada entre 0 a 5 % molar.
4. Para el caso de propano puro, la potencia de compresión y la carga térmica del condensador fueron mínimas.
5. Para el economizador, la alimentación a la primera etapa de compresión refleja mayor peso que la alimentación a la segunda etapa, debido a las condiciones del equilibrio instantáneo ( flash). Los componentes de menos peso se descargan con la corriente de  vapor, mientras que los de mayor peso de despojan  con la corriente del líquido.       

       Para conocer mas sobre casos similares, y como minimizar los problemas operacionales, sugermios que asistan a los cursos  G- 4 “Acondicionamiento y Procesamiento del Gas”, G – 5 “Acondicionamiento y Procesamiento Especial”,  y el G - 7 “Simulación de Procesos en el Acondicionamiento y Procesamiento del Gas”.

 

By Dr. M. Moshfeghian
Translated by Dr. Frank Ashford

 



    Reference:
    1. Campbell, J.M., “Gas conditioning and Processing, Vol 2: The Equipment Modules”, 8th Edition, Edited by R.A. Hubbard, John M. Campbell & Company, Norman, USA, 2000.
    2. ASPENone, Engineering Suite, HYSYS Version 2006, Aspen Technology, Inc., Cambridge, Massachusetts U.S.A., 2006.