Wikipedia [1] describe el hielo seco como “la forma sólida del dióxido de carbono (CO2). Es incoloro, inodoro, no-inflamable, y levemente acídico [2]. A temperaturas menores de −69.9°F (−56.6°C) y presiones menores de  75.2 lpca (518 kPa), el punto triple, el CO2 se transforma de un sólido a un gas sin intervención de la fase líquida. A través de un proceso llamado la sublimación. El proceso opuesto es denominado deposición, en donde el CO2 cambia de fase gaseosa a fase sólida (hielo seco). A presión atmosférica, la sublimación/deposición ocurre a −109.3°F (−78.6°C). La densidad del hielo seco varía, pero generalmente se ubica entre 87 y 100 lbm/pie3 (1400–1600 kg/m3) [3]. La temperatura baja y sublimación directa a un gas rinde el hielo seco como refrigerante, como es mas frio que el hielo del agua y no deja residuo mientras se transforma de estado [4]. Su entalpía de sublimación es de 245.5 Btu/lbm (571 kJ/kg).”

Mientras que el hielo seco posee muchas propiedades y aplicaciones buenas, su formación puede obstaculizar los equipos, y causar problemas  severos en plantas de procesamiento. De manera que, predicciones certeras para la formación del hielo seco son requeridas. Para poder prevenir la formación del hielo seco, es esencial tener un buen conocimiento del comportamiento de fases de los sistemas que contienen del dióxido de carbono en las plantas criogénicas de procesamiento del gas, asi como plantas de turboexpansión para la recuperación profunda de los (LGN), Líquidos del Gas Natural. El modelaje termodinámico basado en la igualdad de los potenciales químicos en todas las fases, mas la aplicación de una ecuación de estado con parámetros entonados se aplicado normalmente para las predicciones certeras de la formación del hielo seco.

En este previo del mes (PDM), estudiaremos el comportamiento de fases de las mezclas de gases conteniendo del dióxido de carbono. Una descripción del comportamiento de fases a distintas condiciones de presión y temperatura es presentada.

La opción del ProMax [6] aplicando la ecuación de estado (EDE) Peng-Robinson (PR) [5] fue aplicada para lograr todos los cómputos en este estudio. En el manejo del hielo seco, la referencia [7] discute la importancia de aplicar las herramientas apropiadas en los procedimientos (software) de simulación. La misma referencia también demuestra la certeza del ProMax contra la data experimental, incluyendo la del GPA RR [8] para la predicción de la formación del hielo seco a distintas condiciones.

Caso en Estudio:

La composición de dos mezclas de gas conteniendo el CO2 considerados en este estudio se muestran en la Tabla 1. La Figura 1 también presenta un diagrama de proceso simplificado aplicado para el análisis de la formación del hielo seco en este estudio. El gas de alimentación (corriente 1) se admite al Sep-1 del cual la corriente de vapor (corriente 2) es enfriada en el HEX-2. La corriente de salida de este enfriador pasa por el Sep-101 para la separación de gas y líquidos.

La Figura 2 presenta una envolvente complete para la mezcla A (véase la Tabla 1) en donde el estado de cada región es identificado.

El gas de alimentación (corriente 1) se admite al Sep-100 a -96˚F y 300 lpca (-71.1˚F y 2069 kPa), el cual es el punto “A” en la Figura 2. A estas condiciones, se presenta como un vapor y toda la alimentación es despojada como vapor. En el HEX-100, la corriente de vapor (corriente 2) es enfriada a presión constante a -160˚F (-106.7˚C), lo cual se representa como el punto “E” (corriente 4). La línea horizontal punteada identifica el rumbo del enfriamiento. Durante el proceso de enfriamiento, al lograr el punto “B”, el punto de rocío, en la Figura 2, se obtiene la primera formación del líquido. Entre los puntos “B” y “C”, una mezcla del líquido + vapor coexisten en equilibrio. En el punto “C”, el punto incipiente del hielo seco también se formará. Entre los puntos “C”, y “D” tres fases de sólido + líquido + gas coexisten en equilibrio. Enfriamiento adicional hasta el punto “E” resulta en una mezcla de sólido + líquido en equilibrio. Finalmente, la corriente despojada por este enfriador se pasa por el Sep-101 para la separación del cualquier gas del líquido.

Tabla 1. La Composición de las dos mezclas estudiadas.

 

 

 

Figure 1. A simplified process diagram for the case study

Si la mezcla “A” se admite al enfriador a presión menor que 167 lpca (1152 kPa), y se enfría, formará hielo seco sin la formación de líquido. Como ejemplo, asumamos que la mezcla se encuentra a -100˚F y 100 lpca (-73˚C y 690 kPa), punto “x” en la  Figura 2.  Si el gas se enfría a temperatura constante se forma el hielo seco aproximadamente a -133˚F (-92˚C). Enfriamiento adicional menos de  -137˚F (-94˚C) formará sólido + liquid + vapor en equilibrio. Finalmente enfriamiento menos de -200 ˚F (-129˚F) resulta en una mezcla de sólido + líquido en equilibrio.

Figura 2. Diagrama de Fases completo para la mezcla A.

A una presión de 300 lpca (2069 kPa) empezando a -90°F (-68°C) (Punto “A”), el fluido es 100% vapor. Enfriamiento a presión contante resulta en la formación de líquido cuando la temperatura llega aproximadamente a  -113°F (-81°C) en el  Punto “B”. Enfriamiento adicional resulta en la formación de hielo seco en el Punto “C”  donde la temperatura es del orden de -119°F (-84°C).  La última burbuja de vapor desaparece en el Punto “D” (a eso de  -156°F, -104°C). Por debajo de este punto, el fluido existe como hielo seco y líquido.

Para el proceso previo descrito a una presión contante de 300 lpca, la temperatura de enfriamiento y fracción de vapor de la mezcla como función de calor removido del fluido de proceso ( mezcla A en el HEX – 100 se muestran en las Figuras 3A (Unidades de Campo), y 3B, (Unidades SI).

Figura 3A. Temperatura y fracción de vapor de la mezcla A mientras pasa por el HEX-100 (Unidades de Campo)

Figura 3B. Temperatura y fracción de vapor de la mezcla A mientras pasa por el HEX-100 (Unidades SI)

Cada mezcla posee una envolvente única y curva de formación del hielo seco. Mientras se altera la composición de la mezcla la envoltura del diagrama de fases (DDF), así como la curva de hielo seco cambiarán. Similarmente, un diagrama de fases completo para la mezcla B con su rumo de enfriamiento se muestra en las Figuras 4, 5A, y 5B.

Figura 4. Diagrama de Fases Completo para la mezcla B

Conclusiones:

En los procesos criogénicos tales como las plantas de turboexpansión para la extracción  profunda de los LGN, se requiere una predicción certera de las condiciones de formación del hielo seco. Un buen conocimiento del comportamiento de fases, y entendimiento sobre la formación del hielo seco pudieran impedir severo problemas operacionales. En el diagrama de fases, cualquier condición operativa que se ubique sobre, a la izquierda, o por debajo de la línea de formación del hielo seco (las curvas punteadas en negrillo en las Figuras 2, y 4) formará una fase sólida y podría causar graves problemas operacionales, daño a los equipos, y llegar a bajas en el personal.

Es importante aplicar las herramientas indicadas y una certera ecuación de estado con las capacidades de simulación (software) para generar la precisa envolvente de fases y curva de formación hielo sólido. Se recomienda revisar esta veracidad computacional de los modelos termodinámicos contra data experimental antes de generar la correspondiente envolvente, o ensayar la simulación de procesos.

Figura 5A. Temperatura y fracción de vapor para la mezcla B mientras se desplaza por el HEX-100 (Unidades de Campo).

Para informarse adicionalmente sobre casos similares y como minimizar los problemas operacionales, les sugermos su asistencia a nuestras sesiones G40 (Process/Facility Fundamentals), G4 (Gas Conditioning and Processing), P81 (CO2 Surface Facilities), and PF4 (Oil Production and Processing Facilities).

La Consultoría John M. Campbell (JMCC) está en capacidad de  proveer sus pericias termodinámicas para los proyectos de procesamiento así asegurando que el modelo de procesos desarrollado sea el más preciso posible. Para mayor información sobre los servicios ofertados por la JMCC, les invitamos visitar nuestra dirección en la red:  www.jmcampbellconsulting.com.

 

 

By: Dr. Mahmood Moshfeghian

Traducido al Español por: Dr. Frank E. Ashford

Figura 5B. Temperatura y fracción de vapor de la mezcla B mientras se desplaza por el HEX 100 (Unidades SI)

 

Reference:

  1. http://en.wikipedia.org/wiki/Dry_ice
  2. Yaws, C. Matheson gas data book (7th ed.). McGraw-Hill Professional. p. 982, 2001
  3. Häring, H-W. Industrial Gases Processing. Christine Ahner. Wiley-VCH, 2008
  4. Treloar, R., Plumbing Encyclopedia (3rd ed.). Wiley-Blackwell, 2003.
  5. Peng, D. Y., and Robinson, D. B., Ind. Eng. Chem. Fundam., Vol. 15, p. 59, 1976.
  6. ProMax 3.2, Bryan Research and Engineering, Inc, Bryan, Texas, 2011.
  7. Hlavinka, M. W., Hernandez, V. N., and McCartney, D., “Proper Interpretation of  Freezing and  Hydrate  Prediction Results From Process Simulation,” Proceedings of the Eighty-Fifth GPA Annual Convention. Grapevine, TX: Gas  Processors Association, 1999:121-127 GPA 2006.
  8. Kurata, F., “Solubility of Solid Carbon Dioxide in Pure Light Hydrocarbons and Mixtures of Light Hydrocarbons,” GPA Research Report RR-10, Gas Processors Association, 1974